/
Текст
ОСНОВЫ
ТЕхнолоrии
ПЕРЕРАБОТКИ
ПЛАСТИЧЕСКИХ
МАСС
В. r. Бортников
Допущено Министерством 8ысшеео и среднеео сnециаЛЬНО20
обраЗования СССР в качестве учеБНО20 пособия для студентов хижuк,о-
теХНОЛО2ических специальностей высших учебных ваведений
ЛЕнинrр АД
«ХИМИЯ»
ЛЕнинrРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1983 .
6П7.55
Б82
УДК 678.'6/.7;678.05
Бортников В. r
ОСНОВЫ технолоrии
масс: Учебное пособие
1983. 304 с., ил.
переработки пластич1( I\.H х
ДЛЯ ВУЗОВ. JI.: Х 1tf .ТНН,
Изложены вопросы теОрИII 11 расчета технолоrических np I,('C('OH
переработки пластических масс. В первой части рассмотрены 1:1'IKO
химические и реолоrические основы технолоrllИ переработки , а ... .:жс
важнейшие технолоrические свойства пластмасс. Во BTOpoii о '(',1'11.'
технолоrические процессы переработки пластических масс прессо r.ii 1t :\I,
. экструзией, 'литьем под давлением, выдувани м, пневмовакуумны i фоr
!i овани'ем и каландрованием. '
. Для студентов химико-технолоrических вузов, специали ' py
щихся В области переработки пластических масс. Полезно инж Jepf1u
-rехническим работникам лроектных орrаннзациЙ и промыш eHIlLi.:
предприятий отрасли. . f
304 С.... 248 рис. '. список литературы 77 ссылок.
р е Ц е н з е н т ы: 1. Кафедра технолоrии перер ОТКи
пластмасс МИТХТ им. М. В. Ломоносова (зав. кафедрой до!' 1',
хим. наук профессор В. Н. Кулезнев).
2. Кафедра технолоrии переработки пластмасс Кузба Ci{OrO
политехническоrо института (зав. I{афедрой канд. теХН. 1 J-iаук
доцент с: д. Евjtенов).
3. Кафедра технолоrии переработки пластмасс BO (;He}i\
,'CKoro технолоrическоrо института (зав. кафедрой канд. I 1'ехн.
наук доцент В В. Калмыков).
Б 2803090tOO 082 82.83
, 05"(OI) 83
@
Издательство «Хи;1}fЯ;', l 8.' .
-пР ЕДИСJIО Н иt:
Технолоrия переработки полимеров это об"тrасть науки и Tex
j!-i; .'"",! J изучающая процессы, предназначенные для получения изде
: ЛЕi. и"з пластических масс или улучшения свойств полимер ов.
.. ,
I I\c. бласть техники она возникла в середине Х 1 Х века OДHO '
t
[P ' ..HHO С появлением первых искусственных полимерных MaTe
t)' j,{: " OB. Изrотовление изделий из пластмасс сравнительно слож
: iJ;,рТ)7 :>ехнолоrический процесс, баЗИРУIОЩИЙСЯ на ИСIlользовании
4)И: ; \ . () химически (реолоrических, тер модинамических, тепло
фИ: 1 .ческих и др.) ,закономерносте'й. В зависимости от условий
\.
фОРl\I ')вания (температуры расплава, скорости течения, давления
и времени охлаждения) изменяется степень кристалличности и
физико механические св()йства полимеров, поэтому выбор
и обоснование этих параметров имеют принципиальнье значени
, Технолоrия переработки начала развиваться как самостоятель
ная область науки после завершения целоrо ряда фундамента'ЛЬ
ных исследований по физике и механике полимеров. Особое зна
чение развитие теоретических основ переработки полимеров при
обретает в настоящее время в связи с pOCTol произвqдства пласт
масс. Переработка пластмасс в изделия l трудоемкий процесс
и чтобы в ближайшие rоды обеспечить резкое повышение вы-
пуска изделий из плаСТlVlасс без увеличения численности занятых
в этой отрасли рабочих, необходимо разрабатывать принципи-
ально новые технолоrические процессы, автоматические линии
и переводить их на управление с исподьзоваНl-lе I ЭВМ. Перевод
ехнолоrии на автоматизированное управление (АСJ'ТП} ПQтре-
.бует создания математических моделей, учитывающих '. Еесо '-КОМ-
плекс протекающих физико химических процесс о23
С учетом вышеизложенноrо содержание книrи и последователь-
ность разделов составлены по принципу пресмственности техно-
J10rических pO,J,I.eC.COB и оБЩНОСТJ И теореТJlчеСI(ИХ основ.
В о.СНОВУ данноrо издания поло)иен. курс, читаемый автором
в Казанском ХИМИI{о теХНОJ10rическом институте ИМ. С. М. l\1tPOB8.
В первой части книrи рассмотрены ФllЗИКО-ХИ 1ические If техно-
Jlоrические характеристики полимеров. ПОСКОЛ'ьку курс физики
полимеров, читаеТСJ:l студентам самостоятельно, то в данном учеб-
ном особии кратко рассмотрены ТОJlЬКО те р-азделы; которые
необходимы для оБОСНОQания и описания теХНОhurических опера-
ций переработки. Раздел реолоrии полимеров посвящен в основ-
ном закономерностям течения расплавов ПQлимеров t!{ цзложен
в объеме, необходимом для о воения методики. решения инжен р
ных задач по технолоrии переработки. Так :как сту.це'lIтыI химйко
технолоrических специальностей изучают сокращенныЙ курс
высшей математики, то решения pe0-!10rических задач приведены
v
только для изотерм:ических условии 1' чения расплавов. . .
Во втор .. а,стj-l l{ниrи даlI ,оп.исание технолоrических процес
сов подrОТОnКI1: полимеров и переработки их в издеIТIИ . В <;вязи
:i
с тем, что процессы экструзии, выдувания и литья под давлеНИем,
имеют однотипную операцию плавления и rомоrенизации, вначале
рассмотрены закономерности движения полимера в каналах
шнека, а затем технолоrия получения труб, пленок, а также
изrотовления изделий выдуванием и литьем под давлением. В еле--,
дующих rлавах. описаны каландрование, пневмовакуумформова-
нне, переработка реактопла'СТОВ прессованием и литьем под давле-
нием, а также механическая обработка rOToBbIx изделий, причем
вначале изложены общие принципы процессов, затем детально
рассмотрены технолоrические операции с их теоретическим обо
снованием и приведены методы расчета оптимальных параметров.
В тех случаях, коrда отдельные закономерности процессов изу-
чены недостаточно, были использованы прибли)кенные методы
расчета с введением поправочных коэффициентов. j
В данное учебное пособие не включены такие способы изrото
вления изделий, как контактное формование стеклопласт ков,
намотка армирующих материалов, а также вспенивание, наrыле-
ние и метод полива из растворов. В некоторых вузах с этими
методами студенты знакомятся в отдельном курсе «Специальная
технолоrия изrотовления изделий из пластмасс», хотя такое раз-
деление носит чисто условный характер.
Автор отдает себе отчет в том, что ввиду сложности и MHoro-
образия описываемых процессов при первом издании учебноrо
пособия некоторые вопросы не нашли освещения или рассмотрены
недостаточно подробно, и заранее признателен читателям за
советы, критические замечания и пожелания, которые будут
учтены в последующих изданиях.
Автор читает своим приятным: долrом выразить блаrодар-
'irостьп рЬфессораl\1 В. Н. Кулезневу, r. В. Саrалаеву, М. с. A y-
тину, В. Е. rУЛIО, А. Ф. Николаеву и доцентам с. д. Евменову,
Е. r. Никитину, В. К. Крыжановскому, с. В. Власову и В. В. Кал-
мыкову, принявшим участие в обсуждении рукописи.
ЧАСТЬ ПЕРВАЯ
ОСНОВНЫЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ,
РЕолоrИЧЕСКИЕ И ТЕхнолоrИЧЕСКИЕ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРОВ
r лава 1
РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛИМЕРОВ
Процесс формования изделий из пластмасс осуществляется, коrда
полимеры находятся преимущественно в вязкотекучем состоянии
.и лишь в некоторых случаях (пневмовакуумное формование)
в высокоэластическом. При охлаждении изделий полимер пере-
ходит в твердое arperaTHoe состояние в результате стеклования
или кристаллизации. Переход из оцноrо физическоrо состояния
в друrое, а также процессы плавления и кристаллизации проис-
ходят при определенных значениях температур, знание и исполь-
зование которых необходимо при выборе режимов переработки
полимеров. Так, в зависимости от температуры стеклования и пла-
вления (текучести) изменяются время охлаждения изделия, тем..
пература формы и рабочих узлов экструзионных arperaToB или,
литьевых машин. Большое практическое значение имеют такие .)
характеристики, как скорость кристаллизации, теплота плавле..
ния, а также изменение размеров и конфиrурации структурных
образований кристаллизующихся полимеров в зависимости от
условий формования и охлаждения изделий. Все перечисленные
характеристики достаточно подробно описаны в учебных пособиях
по физикохимии полимеров, в данной rлаве рассмотрены вопросы
практическоrо использования их для теоретическоrо обоснования
процессов переработки с учетом особенностей строения отдельных
rpynn полимеров.
1.1. ИСПОЛ ОВАНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕскоrо
и ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНО.ТЕРМИЧЕскоrо АНАЛИЗА ДJlЯ ОЦЕНКИ
ПЕРЕРАБАТЫВАЕМОСТИ ПОЛИМЕРОВ
Первую информацию о полимерах можно получ ть из анализа.
термомеханической кривой. Зависимость деформации полимера
от температуры позволяет установить области перехода ero из
одноrо физическоrо состояния в друrое. Так, при наrревании
аморфноrо полимера, на термомеханической кривой четко про-
сматриваются три физических состояния: стек.ТIообразное, высоко-
эластическое и вязкотекучее (рис. 1.1). При температуре ниже
темп ратуры стеклования (Те) !lМОРФIiЫЙ полимер. находится
В rBePf{oM arperaTHoM состоянии, при TOM часть erMellToB макро-
g
молекул фиксирована в пространстве,
а друrая обладает некоторой сво-
бодой перемещения. Под действием
больших усилий наблюдается дефор-
мация, однако деформация эта срав-
нительно нев лика и зависимость ее
от напряжения почти прямопропор
циональная. Способность полимеров
переходить в стеклообразное состояние
позволяет достиrать определенной
конструкционной жесткости изделий и применять их при тем-
пературах, ниже Те В машинах и приборах. В связи с этим Tel\f
u u u
пература стеклования является нижнеи rраницеи., до которои
целесообразно проводить охлаждение изделия после формования
ero в процессе переработки полимеров. Однако, если при извлече
нии изделий из форм В:Е>Iталкивающие усилия малы, охл"аждение
осуществляют до температуры несколько выше Те, так как низ
кие напряжения и большая скорость наrружения исключ&ют
деформацию изделий. .
При очень низких темцературах в полимерах MorYT осуще
ствляться только крутильные колебания отдельных звеньев,
и полимер приобретает хрупкость. Температура хрупкости. (Т хр )
существенно влияет на нижнюю rраницу температурной области
практическоrо ИСПОЛЬЗ'ования полимеров в качестве конструк-
ционных материалов, особенно при динамическом наrружении
uзделий. Следует учитывать ее и при переработке полимеров'.
Так, эластичные изделия, охлажденные ниже Т хр , можно
подверrать, например, обработке в rалтовочных барабанах
для снятия облоя после литья под давлением или прессо-
вания.
Необходимо отметить, что температура стеклования, а также
ПJlОТНОСТЬ ПОJlимеров в стеклообразном состоянии в значитеJlЬНОЙ
мере зависят' от) скорости ОХJlаждения расплава. Как видно
из рис. 1.2"; а,' Та и удельный объем УУД с увеличением скорости
ОХJl'aждения полимера повышаются. Стеклование полимеров свя-
зывают с. реJlаксацией cerMeHToB. маКрОМОJlекул, с6держащи
ОТ 5 до 20 атомов уrJlерода. При высокой скорости охла дения
реJlаксационные nponeccbl не завершаюrся и в стеклообразном
состоянии образуется менее упорядоченная структура.. Противо-
ПОJlожная зависимость возникает при сжатии расплава в процессе
ero охлаждения. Стеклование под высоким давлением приводит
к увеличению плотности полимеров. Это наrлядно видно
из рис. 1.2, б. Полистирол, охлажденный под давлением 200 МПа
(линия DEF) имеет температуру стеклования Те примерно на 60 ос
"J?Jще температуры размяrчения Тр. При снятии давления (отре..
зок РО) происходит уменьшение плотности (повышение V уд )
з чет )'"pyrOfQ QССТ ЛО JJеЦIi 1Ja- ОЦJJенной деформации; o;( aKQ
6
'
:::i
t:s
:!
s-
Q,)
::::с
те Тт'
Температура
т"л
РИс. 1.1. Терl\fОl\lехаНlfчеСКие Кривые аморфноrо (1)
и кристаллическоrо (2) полимеров. _
nлt,Тиосtь такНХ образцов Все же несколько ВЫШе, чем у nоJJиме-
ров" ':ох'лажде ных без ,давления. . '
. При температуре выше Те, т. е. в высокоэластическом C CTO-
янии, молеКУ,ТIярная подвижность в полимерах становится на-
столько большой, что структура полимера в ближнем порядке
успевает перестраиваться вслед аа изменением температуры,
а макромолекулы MorYT иЗrибаться ПОД, действием внешних сил;
Общая деформация полимера в высокоэластическом с.остоянии
u v u .
складывается из мrновеннои упруrои и запаздывающеи высоко-
эластической деформац и. Напомним, что упруrая деформаци
обусловлена изменением средних межатомных и межмолекулярных
расстояниц и деформацией валентных уrлов полимерной цепи,
., . U
а высокоэ астическая ориентациеи и перемещением звеньев
rибких цеneй Высокоэластическое состояние используется при
формов ии изделий такими методами, как штампование; вакуум-
ное фОР1fование: и др. Если при температуре эксплуатации поли-
меры находятся в высокоэластическом состоянии, ТО из них можно
Иs[отовля ь пленки, rибкие шланrи, искусственную кожу.
Несц:оJtЬКо иная картина наблюдается для кристаллизующихся
полимероВ. ;При охла)l{дении кристаллизующихся полимеров про-
исходит.обvазование структур за счет совместной укладки отрез-
ков макромолек .ц) ЧТО затрудняет переход их \,!З одной. конформа-
JЩИ в друrую. Вследствие этоrо rибкость макромолекул в обыч-
ных условиях проявиться не может и высокоэластичность исчезает
(СМ. рис. 1_ 1). Высокоэластичность возникает у этих полим ров
толы<o при :rемпературах выше температуры плавления. Таким
об азом, вьt коэласт'ическое состояние у кристаллизующцхся
ПОЛИ!dеро наХ9 ИТСЯ между температурой плавления (Т пл) и тем-
пературои теК iести (Т т) и зависит в значительной степени от
моле улярной, ссы и скорости охлаждения. При б стром охла-
ждении кристаf1.ические ,структуры не успевают полностью сфор-
мироваться, по му они имеют большое число дефектных обла тей
(мала:я степень '.fристалличности); при последующем наrрев нии
таки:х образцов J ' .полимера появляется высокоэл стическое / со-
t I
I
I
.«
6
с
Vy8 1 VgD
2 :
.,; I I F
.
I I 1 I ...
I ' 1, .
....
т;' т \ :' :> . 7р те т
Рис. 1.2. : \ е\(;:орост.и охлаждени!! (а) и давления (6') на . зависимость YAeJIbHOrO
объема Y .j() II1I.O.JIa от температуры:
ое ..; {A =t \ \
1 ..... быс'f ей.. : 30 'l'e е; 2 меДлеННОе охлаЖДение: АВС наrреваНИе ПрИ низком
давлеНИJ(, М Па 1 ...... Ическое СЖ8Тliе До 200 МПа; DEF ,охлаждение под дaBJle
нием 200 . _ с, яти е давления., . ; .,."
, . I '
7
стояние. к.ристаллизующийся переохла)кденный полимер имееt
так называемую замороженную структуру и аналоrичен аморф
ному' полимеру, но если в процессе переохлаждения кристаллиза
ция происходит достаточно полно, то у Hero исчезает BЫCOKO
эластическое состояние и полимер остается твердым: при HarpeBa
нии вплоть до темп'ературы плавления.
Таким образом, основные физико химические характеристики
стеклообразноrо и высокоэластическоrо u состоянии полимеров
в значительной степени зависяТ от условии охла)кдения расплава,
I поэтому последние необходимо учитывать при ведении технолоrи
ческоrо процесса переработк полимеров.
Не менее важную роль иrрает и вязкотекучее состsяние,
в которое полимеры переходят при наrревании до более В"ысоких
температур. В вязкотекучем состоянии У полимеров под деиствием
внешних сил развиваются в основном необратимые деформации,
т е появляется 'истинное течение, обусловленное ДВ,ижением
з ен ев макромолекул относительно друr друrа. Считают, ч;о пр.
течеItии вследствие сильноrо межмолекулярноrо взаи. одеИСТВИе
макромолекулы не .MorYT перемещаться как одно цеЛQ перем.
щаются по частям за счет последовательноrо движения с rMeHToB.
у ()тя течение ПОJIимсра АI' 1ТПР('.твляется вследствие перемеще
НИ)f' IА'"'''&&,,&'' !.. & нGИllХ макромолеКУJ1, pnQMPD KOTO ЫX не
зависит ОТ полной длины макромолекул, тем не менее БЯЗКОС1ъ.
полимеров сильно зависит от степени полимеризации (молекуляр-
ной массы). Можно предположить, что при увеличении длины
цепи в 'определенных ее точках образуются межмолекулярные
эацеплени-я (узлы флуктуационной сетки). Для Toro чтобы пере
местить макромолекулу, переплетенную с друrой, необходимо
усилие большее, чем затрачиваемое на движение отдельной цепи,
поскольку молекула захватывает также сцепленные с ней друrие
макромолекулы. Количество первичных, вторичных и последу-
ющих эацеплений резко возрастает по мере увеличения длины
цепи, в результате чеrо зависимость вязкости' от молекулярной
массы становится нелинейной.
, Зависимость вязкости полимеров от молекулярной массы
предопределяет их технолоrическое поведение и диапазон пара-
метров процесса переработки (температура, давление и т. д.).
По мере увеличения молекулярной массы затрудняется развитие
необратимых деформаций, необходимых для формования, у ели-
чивается склонность к накоплению высокоэластической деформа-
ции в rOToBbIx изделиях, измеН5JI9ТСЯ механические свойства
полимеров. Поэтому появляется необходимость в изменении
технолоrических параметров процесса переработки, выборе COOT
ветствующеrо метода формования и технолоrической оснастки.
Например, маловязкие полимеры используют для нанесения по-
крытий на бумаrу и для формования волокон, а по мере увеличе-
ния молекулярной массы оптимальными методами перераб'отки
становятся литье под давлением, зат м экструзия и прессование.
В. x случаях, коrда молекулярная масса очень велика и темпе
8
ратура переработки становится выше температуры разложения
(термодеструкции) полимера, вязкость понижают путем введения
пластификаторов или растворителей.
Течение расплавов зависит от ряда факторов и подробно рас-
смотрено в rл. 2, поэтому в данном разделе остановимся лишь на
особенностях перехода различных полимеров в вязкотекучее
состояние. Поскольку полимеры способны к развитию необрати-
мых и упруrих деформаций как в высокоэластическом, так и
в вязкотекучем состоянии, rраница между этими областями носит
несколько условный характер, а температура текучести зависит
от метода ее определения, в частности, от скорости наrревания
и условий наrружения. Обычно считают, что переход аморфных
полимеров в вязкотекучее состояние происходит при температуре,
близкой к температуре текучести, а кристаллических выше их
температуры плавления. К параметрам, определяющим темпера-
турную область вязкотекучеrо состояния, относятся не только
скорость охлаждения, но и rидростатическое давление, которое
в значительной степени влияет на температуру плавления поли-
меров. Переход полимеров в вязкотекучее состояние происходит
в достаточно широком интервале температур и за исит от внутрен-
u I
них напряжении, возникающих в структурах, а также от неодно-
родности структур, их видов и размеров.
Определение те пературы текучести или плавления необхо-
димо, чтобы установить минимальную температуру переработки
,полимеров, и тем aMЫM уменьшить развитие необратимых де-
формаций при формовании изделий из пластмасс. Однако при
этом необходимо уточнение температуры переработки в зависи-
мости от результатов реолоrических исследова.ний и данных диф-
ференциальноrо термическоrо анализа. I
Как видно из paccMoTpeHHoro, каждому физическому состо-
янию полимера соответствует определенный комплекс физических
свойств, знание которых позволяет установить условия пере-
работки и эксплуатации изделий из пластмасс. .
l t.l. Термомеханический анализ полимеров
Температура перехода из одноrо состояния в друrое и 'вид
\ термомеханической кривой . используются для выбора метода
,И определения условий переработки полимеров. Так, на основании
ида термомеханической кривой можно рекомендовать условия
п реработки.. Если переход полимера из кристаллическоrо cqCTO-
яния в вязкотекучее происходит в узком температурном интер вале,
то при переработке TaKoro полимера необходимо точное реrули-
рование температуры. Аморфные полимеры в интервале применяе
мых температур переработкимоrут подверrаться значител ному
деформированию, например, в зоне плавления экстру дера , поэjому
шнек в этой зоне может Иl\1еть переменную rлубину нарезки на
сравнительно большой длине. Кристаллические полимерыl до
температуры цлавления почти не деформируются, по томуj для
I
9
о..
:::f
t:s
cu
2
ТТ Т О1 Т О2
Темпера т!lР а
Рис. 1.3. Термомеханические кривые Термореактивных материалов с быстроотверждаю-
щимся (1) и медлеиноотверждающимся (2) связующим.
Рис. 1.4. Прибор для измерения термомеханических свойств полимеров:
1 корпус; 2 образец; 3 стержень; 4 наrреватель; 5 уравновешивающий
rруз; 6 рычаr; 7 датчик Деформации; 8 термопара; 9 rрузы; 10 разrру-
жающее устройство; 11 электродвиrатель.
их переработки требуется шнек с длинной зоной заrрузки и KO
u v с)
роткои зонои сжатия, соответственно изменяется и температурныи
режим наrревания. .
Термомеханические кривые термореактивных и теРl\10пластич
ных материалов существенно различаются. После наrревания
реактопластов до определенной температуры начинается химиче
ская реакция отверждения связующеrо и образование простран
ственной структуры. Вследствие этоrо вязкость реактопластов
повышается, а затем становится настолько большой, что материал
еряет способность к раЗВИТИIО необратимых деформаций. При этом
в зависимости от исходноrо состояния и строения связующеrо
изменяется вид термомеханической кривой (рис. 1.3). У пресс
мат риала, отверждающеrося при низкой температуре (кривая 1),
температура отверждения Т 01 почти равна температуре текуче-
'сти тт, поэтому У Hero сразу после перехода в вязкотекучее со-
стояние начинается отверждение и исчезает способность к течению.
При прессовании TaKoro полимера мо)кет наступить преждевре-
менное отверждение, т. е. потеря текучести до заверше ия про
цесса формообразования, и изделие получается недопрессованным.
у 'медленноотверждающеrося пресс материала (кривая 2) темпе
ратуры текучести ТТ и отверждения Т 02 значительно различаются,
что позволяет варьировать температуру перераБОТI{И - 'в более
широком интервале. '
По виду термомеханической кривой можно так)ке косвенно
судить о скорости реакции. Чем медленнее происходит отвержде
иие, тем наблюдается более плаВflЫЙ переход от температуры TeKY
чести к участку кривой, rде отсутствует изменение деформации.
Термомеханические исследования проводят обычно при растя-
жении плоских образцов или при вдавливании стержня в образец
цилиндрической фОрl\1Ы. . В первом случае испытанию обычно
подверrаются пленки, а во BTOpOl\1 образцы, вырезанные из
rOToBbIX изделий или полученные прессованием .из порош'ка (rpa
нул). Прибор для термомеханических испытаний по вдавливанию
стержня (рис. 1.4) состоит из корпуса 1, Б измерительную камер'у
10
KOToporo помещается образец Испытываемоrо полимера 2. Де-
формация образца осуществляется стержнем 3, соединенным
с рычаrом 6, на который действуют rрузы 9. Деформация изме-
ряется с помощью датчика 7, преобразующеrо линейную дефор-
мацию в напряжение, подаDаемое на вход двухкоординатноrо
электронноrо потенциометра. На xoд второй координаты потен-
циометра подается э.д.с. термопары 8, помещенной в камеру
с образцом. '
.Исследование полимеров при действии постоянноrо внешнеrо
усилия не позволяет выявить количественно высокоэластическую
и мrновенную упруrую деформации, поэтому применяемые при
боры обычно снабжают разrружающим устройством. Для проведе-
.ния испытаний при циклическом наrружении, прибор име\ет элек-
тродвиrатель 11, который через систему передач и разrружающее
устройство 10 периодически поднимает или опускает rpy3 9.
В 'процессе испытаний rpy3 в течение заданноrо времени действует
на стержень 3 и деформирует образец; затем наrрузка снимается,
и образец восстанавливает упруrую обраТИМУIО деформацию.
Характерная кривая, полу аемая при циклическом наrруже-
нии, показана на рис. 1.5. Преимущество термомеханической кри-
о' u
вои, записаннои при циклическом наrружении, заключается
в том, что она позволяет более четко выявить переход в высоко-
v
эластическое состояние и определить температуру,: при которои
В вязкотекучем состоянии значительно уменьшаются или пол-
ностью исчезают высокоэластические обратимые деформации. Вы-
сокоэластическая деформация заметно начинает проявляться выше
температуры стеклования, и на диаrрамме возникает синусоидаль-
ная кривая. Остаточная необратимая деформация ДО температуры
текучести мала, поэтому нижняя ветвь синусоиды идет почти
параллельно оси абсцисс, а при Т > ТТ необратимая деформация
значительно возрастает и нижняя ветвь кривой поднимается
Bepx. Хотя полимер находится в вязкотекучем состоянии, доля
обратимой высокоэластической деформации еще сохраняется, I эта
деформация начинает исчезать несколько выше температуры теку-
чести. Таким обраЗ0М, аМплитуда колебаний кривой является
величиной, характеризующей упруrую деформацию. Опреде ение
температуры исчезновения упруr6Й деформа'Ции имеет большое
практическое значение, по кол ку она связана с эластическим
восстановлением струи расплава полимера и, следовательно,
влияет на размеры экструзионных И3
делий.
И3 изложенноrо следует, что TepMO
механический метод исследования поли-
меров может быть ИСПОЛЬЗ0ван как для
,определения характерных температур
перехода И3 одноrо физическоrо состояния
Рис. 1.5. Термомсханическая кривая аморфноr. поли-
мера, снятая при циклическом иаrружении образца.
Q::
::::s
:::t'
tj
s..
cu
c:::r
... -
1с ТТ
, Тсмпера"!9ра
1 1
в друrое, так 11 для оценки перерабатываемости f]олимеров
и выявления некоторых особенностей их строения. Следует за
метить, что термомеханический метод не дает полной информации
о перерабатываемости полимеров и ero обычно используют в co
четании с друrими методами, например, с дифференциально
термическим анализом и реолоrическими исследованиями.
1.1.2. Дифференциально"термический
анализ полимеров
Дифференциально-термический анализ (ДТ А) основан на изме
рении разности температур между исследуемым и инертным (эта
лонным) веществом с помощью дифференциальной термопары
При одновременном наrревании исследуемоrо и эталонноrо веществ
с постоянной заданной скоростью температура в обеих ячейках
будет постоянной до тех пор, пока в веществах отсутствуют какие
либо процессы, сопровождающиеся поrлощением или выделением
теплоты. При наличии тепловых эффектов в исследуемом полимере
ero температура будет отличаться от температуры эталонноrо
вещества, в котором тепловые эффекты отсутствуют, что и реrи
стрируется прибором. .
Прибор дЛЯ ДТ А (рис. 1.6) состоит из измерительноrо блока 1,
в котором установлены ячейка 2 с эталонным веществом и ячейка 8
с исследуемым полимером. Термопара 4 соединяется с TepMO
парой 7 таким образом, что на входе в усилитель 5 подается раз
ность их э.д.с., пропорциональная разности температур Т
между измерительной и эталонноЙ ячейками. Температура Т ==
== ер (t) исследуемоrо вещества измеряется термопарой 7 и по
дается одновременно с сиrналом разности температур Т на вход
двухкоординатноrо потенциометра б. Изменение температуры
во времени осуществляется наrревателем 3 и задается TepMopery
лятором 10, соединенным с термопарой 9 и с проrраммным устрой
ством 11. Для исследования берут навеску полимера в I\оличе
стве 0,3 1 ,О r в виде порошка или rранул и такое же количество
талонноrо вещества. Эталонное вещество должно иметь примерно
rакую же теплоемкость и теплопроводность, как у полимера,
и у Hero при наrревании дол ны отсутствовать фазовые переходы
или друrие процессы, сопровождающиеся
выделением или поrлощением теплоты.
Результаты исследований, каК прави
ло, записываются на диаrрамме, при. этом
вид кривой зависит от строения полимера
12
8
Рис. 1.6. Схема прибора для ДllффереНЦИaJIьно термиqе-
CKoro анализа:
1 измерительный блок; 2 ячейка с эталонным веще
ством. 3 наrревательная печь; 4, 7, 9 термопары;
5 усилитель напряжения; б ДВУХкоординатный по-
тенциометр; 8 ..... ячейка с исследуемым веществом; 10
термореrулятор; 11 проrраММllое устройство термо-
реrулятора.
Рис. '. 7. Диаrрамма дт А криетаЛ-
Jlиqескоrо полимера. r
и ero кристалличности.
Для пояснения возмож
ных характерных участ-
ков кривой записи ДТ А
рассмотрим рис. 1.7. Пef)
v U
выи незначительныи пере
rиб 1 на диаrрамме обыч-
но соответствует переходу
из стеклообразноrо в высокоэластическое состояние, а среднее
значение этой области по шкале температур ,соответствует темпе-
ратуре стеклования Тс. Данный изrиб на кривой ДТ А (скачок
температуры) обусловлен изменением теплоемкости, поэтому ко-
личественно он очень мал и реrистрируется лишь на весьма чув-
ствительных приборах. Второй изrиб на кривой ДТ А соответ-
ствует испарению влаrи или улетучиванию низко молекулярных
продуктов, если они имеются в полимере.
Если по имер перед испытанием имел замороженную кристал-
лическую структуру, то при наrревании может появиться пик
кристаллизации (область 2) или эндотермический пик перехода
кристалл кристалл (область 3). При дальнейшем наrревании
появляется пик плавления (область 4), при этом нижняя rраница
области соответствует температуре начала плавления Тип, а вер-
Ulина температуре окончания процесса плавления Т нп. Если
исследуются образцы различных полимеров при одинаковой на-
веске, то HU площади пика можно косвенно судить о степени
кристалличности. Чем больше площадь пика, тем соответственно
меньше дефектность кристаллической структуры и больше степень
крист.алличности. Температура То соответствует началу термо-
(\кислительноrо процесса в полимере (кривая поднимается вверх),
если же начинается процесс термодеструкции (температура Т д ),
то кривая идет вниз. Таким образом по форме кривой ДТ А и пло-
щадям пиков можно судить О строении полимера; найденная
при этом температура плавления Тип должна соответствовать
температуре текучести тт. Интервал температур между Тип и То
или Т д определяет в первом приближении температурную
область переработки полимеров. Вне этой области темпера
тур полимеры, как правило, не перерабатываются. Для от-
дельных полимеров интервал температур переработки весьма
значителен, поэтому далее мы рассмотрим способы ero; orpa-
ничения с выходом на оптимальный температурный режим пере-
работки. ' .
Температура термодеструкции или термоокисления не является
определяющей для выбора максимально допустимой температуры
переработки, эта температура фактически всеrда ниже, поскольку
зависит от интенсивности разложения полимера и времени пре-
бывания полимера в HarpeToM состоянии.
1
Те Т Н
Т нп
(п
10
7; ' т
13
t.1.3. Длительная термостойкость полимеров
Процессы формования изделий обычно осуществляются при
заданной температуре в течение определенноrо времени. Следова
тельно, для полной характеристики тер остойкости полимера
нужно знать не только температуру термодеструкции, но и время,
в течение KOToporo полимер 1'.10жет подверrаться воздействию
этqй 'температуры без заметноrо изменения свойств, т. е. «длитель
ную термостойкость». .
Для определения длительной термостойкости обычно исполь
зуют зависимости изменения таких П9 каз ателей полимеров, как
механическая прочность, твердость, электрическая прочiIость,'
таиrенс уrла диэлектрических потерь, от продолжительности
воздействия температуры. Для лабораторных исследований удоб
нее косвенные показатели изменения свойст полимеров коли
чество летучих компонентов, выделяющихся ВО' ,времени при
данной температуре, И3l'f1( нение массы полим ра или вязкости
ero расплава. Для обоснования максимально 'д пустимой темпе
ратуры переработки обычно применяют зависи,мрсть ИЗl'vlенения
времени, в течение KOToporo полимер сохраняет своп. первоначаль-
ные свойства, от температуры, т. е. заВИСИl\fОСТЬ .длительной
термостойкости от температуры. '!',
Рассмотрим способ определения длительной термостойкости
по изменению массы образца и тепловых эффектов .с пьмощью
специальноrо прибора дериватоrрафа (рис. 1.8). l-Iавеску поли
мера помещают в ячейку 1, которая устанавли ае ся в Harp Ba-
тельную печь 3 и опирается на одно из плеч коро ла BeCl) 7" f
Коромысло 7 при помещении навески находится в р овесии,.."
второе ero плечо соединено с зеркалом б для передачи лN: света
от осветителя 5 на записывающий барабан 4.
В данном приборе одновременно с реrистрацией измене1tия
массы (кривая O) фиксируется скорость 'изменения массы во
времени (дифференциальная кривая изменения массы) dG/dt,
для чеrо коромысло весов соединено с датчиком скорости. OДHO
временно реrистрируются происходящие в полимер тепловые
эффекты с помощью термопар, установленных в ячеиках 1 и 2
и соединенных, как в приборе ДТ А. В случае начала процесса
термодеструкции или термоокисления появляется разность э. д. с.
термопар, которая замеряется rальванометром 8 и записывается
также на барабане 4.
Система находится в
равновесии до тех пор,
РИС. 1.8. Схема прибора (деривато-
rрафа) для исследования Д.JIитеJlЬ-
ной термосТОЙКОСТИ полимеров:
1 ячейка для исспедуемоrо Be
щеСТDа; 2 ячейка для ЭТ8лонноrО
вещества; 3 наrревательная печь;
4 записывающий барабан; 5
осветитель; 6 зеркало; 7 KOpO
мысло; 8 зеркальный raJIbBaHO
метр.
,
14 '
t Ll
....,
C
. '.
t ц
t'f t J t z t 1
7р
т
Рис. 1.9. Зависимость изменения массы образцов полимера Ай от времени t пребы-
вания их при раЗJlИЧИ ых темпера турах Т.
Рис. 1.10. ЗаВИСИ iОСТЬ индукционноrо периода термодеструкции t и от температуры Т.
пока не' начнется изменение faccbI или температуры образца.
Время-, в течение KOToporo. Б поли ере п и данной температуре
почти не происходит изменения своиств, принимают за длитель..
ИУIО термостойкость. Это время правильнее было бы назвать
индукционным периодом термодеструкции Т И .
Проделав испытания при различных температурах, получ ем
серию кривых (рис. 1.9), по точкам переrиба которых можно наити
значения индукционноrо периода при различных температурах.
Полученные даиные в виде rрафика (рис. 1.1 О) используют для
.,l"\п{)Рлеления максимально допустимой температуры переработки
. полимера. Для Toro чтобы в процессе переработки свойства поли
мерОБ не ухудшались, время пребывания расплава при даНЦ9 Й
темпер'атуре должно быть всеrда меньше или равно индукцио'н
H !'.!y периоду. Зная время нахождения полимера в перерабаты
Бающей машине t ц (время цикла), по рис. 1.1 О, находим макси-
мально допустимую теl\1пературу HarpeBa полимера Т Р. Повышать
температуру переработки больше Т Р нецелесообразно, так :как
'MorYT ухудшаться свойства изделий.
Следует от:метить, что при формовании изделий на расплав
д йствуют также сдвиrовые, усилия, которые MorYT привести
к механодеструкции. Испытания по описанному методу ПрОБО
дятся без сдвиrОБЫХ деформаций, поэтому найденное значение
длите ьной термостойкости получается завышенным по сравнению
с производственными данными.
Более точное значение можно получить при определении дли
тельной термостойкости на ротационных вискозиметрах (см.
rл. 2). В этом случае, получив зависимость изменения
вязкости от I времени при различных теl\1пературах, , строят . rpa
фик и по точкам: переrиба кривых находят длительную тер-
l\10СТОЙКОСТЬ (индукционный период), а затем максимально
допустимую теrvlпературу переработкн (ан'алоrИЧIlО рис. 1.9
и . 1. 1 О) .
15
1.2. ОСОБЕННОСТИ СТРОЕНИЯ КРИСТАЛЛИ3УЮЩИХСЯ
И АМОРФных ПОЛИМЕРОВ
Полимеры MorYT находиться в трех фазовых состояниях:
кристаллическом, жидком (или аморфном) и жидкокристалли-
ческом.
В крuсталлuческо;и фазОQОМ состоянии имеется дальний транс-
ляционный порядок в расположении частей макромолекул, при
этом принцип плотной упаковки молекул осуществляется за сч т
параллельноrо расположения их осей. Кристаллизация из рас-
плава приводит к образованию полимеров, имеющих микрокри-
сталлическое строение и состоящих из большоrо числа отдельных
полимерных кристаллИQ'ОВ размером примерно от 10 8 до 10--6 М.
Структура кристаллитов определяется строением молекул поли-
мера. Так, для полимеров, имеющих rибкие макромолекулы,
термодинамически более выrодной оказывается макромолекула
не полностью вытянутая, а MHoroKpaTHo сложенная так, что зна-
чительные части ее боковой поверхности примыкают друr к друrу,
при этом на участках складывания образуются домены. Поэтому
представляется, что макромолекулы расплава таких полимеров
расположены не хаотически, а в известной степени упорядо-
ченно в виде фибрилл, образованных из доменов, которые свя-
заны проходными участками (рис. 1.11). Локализованные области
(домены) состоят из сложенных участков, при этом уrлерод ые
атомы макромолекулы расположены в одной плоскости и образуют
зиrзаr. '
Время существования таких образований в расплаве при pa -
личных температурах, а также при течении в процессе.,переработки
,остается неясным: ПРОflСХОДИТ ли полный их распад или они раз-
рушаются только частично в зависимости от интенсивности сдвиrа
одних слоев расплава по отношению к друrим. Вероятнее Bcero
они не разрушаются полностью и при охлаждении становятся
центрами кристаллизации.
Несколько доменов, соединяясь друr с друrом по плоскостям
складывания, образуют первичные структурные элементы
кристаллиты, из которых в процессе охлаждения возник ют пла-
стинчатые промежуточные структуры ламели. Если в процессе
складывания концы молекулы находятся в разных плоскостях,
то между кристаллитами, а соответственно и между ламелями,
образуются «мосты», т. е. они соединяются проходными участками
молекул. Некоторые макромо-
лекулы проходяТ через ламель
только один Р аз, затем попа
дают в дефектную кристалличе
скую обласТЬ и входят в дpy
rие ламелИ. Друrая часть мак-
16
Рнс. 1 . 1 t . Схематичное изображение
структуры раСПJlава ПО.'lиме!>а, имеющеrо
доменно-фибрИJlJlЯрНОС строеltие.
Рис. 1.12. СхемаТИЧllое изображение строения Jla-
мелИ кристаЛJlическоrо ПОJlимера:
1 кристаллит; 2 петля; 3 проходной уча-
сток макромолекулы.
ромолекул после выхода из кристал-
лита может снова вернуться в Hero,
при этом: между ламелями обра-
зуются петли. Таким образом, ла-
мель состоит из кристаллитов 1,
петлеобразных участков макромоле-
кул 2 и проходных участков 3
(р ис. 1. 12).
Следует отметить, что чем больше между лаlV!елями в данном
направлении проходных участков макромолекул и меньше петель,
тем прочнее будет в этом же направлении изrотовленное изделие.
Этот факт имеет принципиально важное значение и ero исполь-
зуют в технолоrии переработки. Так, выбирая условия формова-
ния и направление течения расплава, можно изменять качество
изделия.
За счет проходных молекул или образования петлеобразных
участков, выходящих из плоскости складывания, возникают де-
фектные (аморфные).области, связанные с кристаллитами. Но при
этом полимер, как бы велико не было содержание в нем аморф-
ных областей, остается однофазной кристаллической системой,
так как физическое разделение этих областей невозможно. По-
этому неупорядоченные области на rранице между ламелями
можно рассматривать как . дефекты кристаллической структуры.
При этом в межламелярное пространство, как правило, вытес-
няются некристаллические компоненты (низкомолекулярные сррак-
ции полимера, примеси, боковые ответвления макромолекул
и т. д.). Дефектность кристаллических структур обычно характе-
ризуют степенью кристалличности, которая зависит как от стро-
еНtfя поли:мера, так и от условий. кристаллизац . Например,
среднее значение степени кристалличности полиэтилена высокой
плотности 80 90 %, а полиэтилена низкой плотности 50 60 %.
Это снижение степени кристалличности объясняется тем, что узлы
разветвлений полиэтилена ни кой плотности не входят в кристал-
лическую решетку или, ВХОДя в нее, образуют сильно дефектные
решетки.
В зависимости от строения полимера, а также условий кристал-
лизации образуются кристаллические структуры, состоящие из
различных элементарных ячеек, которые отличаются взаимным
расположением цепей макромолекул. Так, для поликарбоната,
полиэтилена и некоторых друrих полимеров наиболее характерна
орторомбическая кристаллическая ячейка, показанная на
рис. 1.13. Подобная ячейка построена из зиrзаrов макромолекул,
сдвинутых относител но друr друrа вдоль оси а. Ячейка содержит
пять звеньев макромолекул, одно в центре и четыре в уrлах,
напра ленных вдоль оси с. Размеры ячейки обозначают с помощью
17
а
о'
ce
8 I rТ\ '\iJ }
: ь
б
с
а
Ри . 1 13. Схема раСПОJlожения макромолеКУJl в кристаллической СТРукту р е , е
нои из орторомбических ЭJ1ементарн ЫХ ЯЧеек: постро Н-
а пространственное расположеНИе зиrзаrов макромолеку.JI; б ВИД вдоль оси t.
8 проекцИЯ На плоскость a c. '
линейных величин по координатам а Ь с. Если проанализи
ровать с:роение кристаллитов относительно расположения в них
зиrзаrоооразных участков (ДОfdенов) макромолекул, то вероятнее
Bcero сложенные участки (зиrзаrи макромолекул) располаrаются
в плоскости параллельной большой оси а, т. е. в плоскости (110)
кристалла (рис. 1.13, а). ПЛОСКОСТЬ складывания (001) обычно
параллельна Qоверхности ламели. Предположение о параллель
ности плоскости домена оси а одтверждается экспериментально.
Так, в пленках, полученных экструз ей (непрерывным 'выдавли
ванием расплава через щель), методом поляризационной спектро
скопии установлено, что ось а направлена вдоль течения расплава.
Из этоrо следует, что большая ось домена преимущественно всеrда'
направлена при течении расплава вдоль приложенноrо напряже
Ния сдвиrа.
Расположение осей элементарной кристаллическоЙ ячейки,
возникающее в процессе переработки полимеров, имеет большое
практическое значение, так как в зависимости от Hero изменяются
прочность, усадка и друrие показател.и изделий. Изменяя условия
течения расплава при формовании, МО)I{НО целенаправленно упра
влять технолоrическим процессом переработки полимеров, обес-
печивая высокое качество изделий.
Кроме рассмотренной орторомбической упаковк макромоле
кулы полимеров MorYT образовывать триклинную, моноклинную,
rексаrональную и друrие виды ячеек. Моноклинная или триклин...
ная упаковка получается при сжатии (прокаТI<е) полиэтилена
(рис. 1.14). Полиморфизм наблюдается также у друrих поли еров..
Например, различные модификации известны у поливинилиден,
фторида, полиамидов и др.
При замещении атомов водорода в молекулах полиrv1еров ато,
мами хлора или фтора (поливинилхлорид, поливинилфт рид)
плоский зиrзаr возникнуть не может, поэтому полимерные моле-
ку-пы имеют спиральную конформацию. Таким же строение 1 обла-
дают изотактические полипропилен и полистирол.
)Кидкокрuспzаллuческое фазовое СОСl110янuе 51вляется nрОlVlежу-
точным (мезоморфным) между кристаллическим и ЖИДI<ИМ (аморф-
1
lIbIM). Жидкокристал ическую фазу. нематическоrо типа обра-
зуют жесткоцепные полимеры из концентрированноrо раствора
или расплава, если отсутствуют кинетические помехи. Для жидко-
кристал ическоrо состояния характерна параллельная упорядо
ченность молекул в некоторой области пространства (ДOMeH ),
в то время как сами ДОfdены расположены беспорядочно. Образо
вание ж'идко ристаллической фазы в rибкоцепных полимерах
возможно только под действием растяrивающеrо поля механи
ческоrо или rидродинамическоrо Под действием силовоrо поля
происходит разворачивание цепей умеl:lьшение rибкости MaKpo
молекул', так что система переходит в жидкокристаллическую
нематическую фазу или истинно кристаллическую с выпрям:лен
II,ЫМИ цепями. Подобные приемы используют в технолоrических
процессах получения высокопрочных волокон.
Ж;идкое фазовое состояние характерно для!аморфных поли
MepOB' а также криста.плизующихся полимеров при температурах
выше температуры плавления. В жидкое фазовое состояние можно
перевести некоторые кристаллизующиеся полимеры при очень
быстром охлаждении расплава, при этом наблюдается ближний
порядdк в располо}кении отдельных участков макромолекул
и отсутствие дальнеrо порядка. Однако в случае макромолекул,
возникает двойственность понятий «близко» и «далеко», T K как
асстояния, достаточно малые по отношению к длине цепнои моле
к ы, MorYT быть очень большими по отношению к размеру cer
ме а. В, связи с этим необходимо уточнять, о каких упорядочен
'ных GTPYKTypHbIX элементах идет речь.
Полимеры в )КИДКОМ фазовом состоянии MorYT иметь три типа
структур: 1) бли)кний порядок, коrда в пределах малых областей
атомы расположены более или менее реrулярно; 2) термически
нестабильные кристаллиты, которые сохраняются выше темпера
туры плавления, однако вследствие тепловых флуктуаций они
непрерывно исчезают вновь возникаю:r; 3) пачки, - способные
в свок? очередь к образованию более сложных структур дендрит
Horo типа. Некоторые из этих структур существуют в расплаве
и в стеклообразном состоянии, однако в первом случае они флук
туируют, а во втором «заморожены». Следует отметить, что вероят
.......... ' "
а
5
I'Н,. . .
14. Теоретическая плотная упаковка молекул полиэтилена;
а ,-\КЛИНlIзr;' б моноклинная.
...
19
f1
Рис. 1.15. ФиБРИЛJlярное строение полимеров, nOABeprHYTblX холодной ВЫТяжке в Ha
правлении, показанном стрелками:
а схема строения фllбриллы; 6 электронная МИI<рофотоrрафия поверхности образца.
нее Bcero кристаллиты в жидком фазовом состоянии построены
из доменов и характерны для молекул, обладающих rибкостью
и способных к образованию плоскоrо зиrзаrа. Структуры в виде
пачек возникают преи:мущественно из молекул, имеющих спир ль
ную конформацию.
В полимерах MorYT происходить структурные превращения.
Так, растяжение аморфных полимеров в высокоэластическом
сос оянии превращает исходное изотропное тело в' OДHOOCHO '
ориентированное анизотропное аморфное тело, при этом cy
ственно изменяется весь комплекс ero свойств. Появляется ани
тропия прочности, оптических и друrих физических показате ей.
Структурные превращения наблюдаются также у кристалли
ческих полимеров при их растяжении или термообработке'. rлу
бина распада исходных крис аллических структур и степень их
обновления в основном зависят от условий ВЫТЯЖКИ (скорости
и температуры), а так)ке от строения мзкромолекул. Процесс
перестройки структуры при растя)кении может протекать по двум
схемам: 1) поворот структур без их разрушения; 2) распад исход
ных элементов и образование HOBbiX форм. В процессе ориентации
по первой схеме вначале начинают вытяrиваться проходные уча
стки макромолекул, расположенные в ,аморфных областях. По
мере увеличения деформации начинается сдвиr ламелей друr
относительнп др тrа, разворот их и раскручивание в плоскости,
перпендикулярной направлению вытяжки. При этом, вероятно,
возможны процессы рекристаллизации структур, которыIеe ."не
MorYT развернуться относительно оси вытяжки. При БQi ?Ш.ИХ
удлинениях ось с ячейки кристалла ориентируется ВД lk"'. BЫ
тяжки, а оси а и Ь перпендикулярно. .-
Образующаяся структура имеет фибриллярное строение и co
стоит из почти выпрямленных участков проходных молеку
и ламелей, расположенных своими плоскостями перпенди у'.
лярно оси вытяжки (рис. 1.15). При этом в плоскости растяже r; н.J.I
расположено наибольшее число проходных молекул, что обус
вливает высокую прочность вдоль ориентации. Прочность же и
,л'И'й' в перпендикулярном направлении значительно ниже..
20
Измеl).;iЯ температуру nрI1 в ыяжке,' можно увеличить ИJIИ
уменьv- t1ть большой период 1 (толщину ламелей) (см. рис. 1.13).
из нение большоrо периода при ориентации происходит вслед
вие изменения расстояния между кристаллитами, которое об
условлено растяжением или сжатием аморфных прослоек, а также
вращением кристаллитов вследствие межламелярноrо скольже
ния, а также изменением наклона складок внутри кристал
литов.
На структурных превращениях основан процесс ориентации
полимерных изделий с целью повышения их прочности.
1.3. ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПЕРЕРАБОТКИ НА СТРУКТУРУ
И СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ
в процессе изrотовления изделий полимер подверrается Ha
rреванию до высоких температур, дефрр:мации сдвиrа или растя
жения (сжатия), а также последующему охлаждению. В зависи
мости от параметров перечисленных операций в значительной
мере ИЗIvlеняется структура полимера и конформация макромоле
кул, а также физико механические, оптические, диэлектрические
и друrие характеристики полимеров.
Рассмотрим процесс кристаллизации при переработке поли
меров. СПf;>собность полимеров кристаллизоваться определяется
двумя факторами кинетическим (подвижностью цепей) и TepMO
динамическим (изменением энерrии rиббса при кристаллизации).
Для образования совершенной структуры необходимо, чтобы
звенья были реrулярно связаны в пределах полимерной цепи.
Любое нарушение реrулярности понижает склонность полимеров
к кристаллизации.
. В связи с тем что для осуществления кристаллизации полимеры
дЬ,, жны обладать определенной подвижностью cerMeHToB молекул,
образование надмолекулярных структур может протекать только
в определенном интервале температур, а именно, выше темпера
туры стеклования и ниже температуры плавления. Существует
rруппа жесткоцепных полимеров, у которых температура стекло
ван. я выше температуры химическоrо разложения (например,
целлюлоза), поэтому они MorYT н.аходиться только iз )кидком
(аморфном) фазовом состоянии. Большую rруппу полимеров, не спс
собных кристаллизоваться, образуют термореактопласты, к числу
которых относятся, например, фенолоформальдеrидные смолы.
Кристаллизация из расплава в paBHOBec
НОМ состоянии (без деформации), как пра 4
вило,' приводит К образованию сферолит
ных структур по схеме, показанной на
рис. 1.16. При охлаждении расплава из кри
сталлита 1, являющеrося центром кристаллиза
z
Рис. 1.16. Схема образования сферолита:
1 зародыш кристаллизации; 2 аморфна" .бласть; 3
фибриллы; 4 аморфные участки фиБРИЛЛIII.
21
f1. .
Напра8ление
pocтa
С .. l'.' r110)(b o; иeн.
afJ a i ,,"'ъ т.qш)
Ь,
о
Рис. 1.17. МодеJlЬ, поясняющая характер молеКУJlЯРНОЙ ориеllТaI ИII в С ф С Р ОJlите по
ИЭТИJlена; .
а поворот фиб-риллы; б структура фибриллы.
ции, образуются лучеобразные фибриллы 3, СОСТОящие из множе
ства упакованных ламе леЙ. Фибриллы, разрастаясь в радиаль
ном направлении и в ширину за счет боковых ответвлений, обра
зуют сферообразные структуры. Естественно, при образовании
сферолитов MorYT возникать дефектные кристаллические области 2
или 4, которые располаrаются между фибрцллами или в меж
лам ел яр но м пространстве непо редственно в фибрилле. Блаrодаря
тому, что рост сферолитов происходит из множества центров
кристаллизации, весь объем полимера быстро кристаллизуется,
при ЭТОIvl в местах контакта сферолитов друr с друrом образуются
rрани. Таким образом, сферолиты предстаВЛЯIОТ собой MHororpaH"
ники несколько произвольной формы и размеров.
В радиальных сферолитах оси а и с элементарной ячейки пер
пендикулярны фибрилле сферолита, а ось Ь параллельна ей.
При этом ось с всеrда располаrается перпендикулярно к пло
.скости ламели. За счет аrреrации доменов в плоскостях, парал
лельных оси а ячеЙки, сферолиты увеличиваются в размерах
в радиальном направлении и одновременно происходит скручива
ние фибриллы относительно своей большой оси (рис. 1.17, а).
Как показали электронно мик-роскопические снимки, кри
сталличес ие поверхности полимеров имеют крышеподобный вид.
Поэтому фибриллу сферолитов нужно представлять ,не в виде
u u u
сплошнои ламели, а составленнои из множества ламелеи, уло
женных друr на друrа (рис. 1.17, б) и скрученных BOKpyr радиуса
сферолита. При наблюдении через оптический микроскоп с ис
пользованием поляризованных лучей установлено, что для pa
диальных сферолитов характерна картина поrасания лучей в виде
мальтийскоrо креста (рис. 1.18, а). Это rоворит о приблизительно
параллельной, но в достаточной степени беспорядочной ориента
ции фибриллярных элементов в сферолите. Для кольцевых же
сферолитов характерно вырождение картины мальтийскоrо креста
в зиrзаrообразную линию (рис. 1.18, б). Это указывает на то, что
фибриллы кольцевых 'сферолитов в процессе роста самопроиз
вольно скручиваются BOKpyr центра сферолита и кристаллоrра
фическое направление постепенно поворачивается относительно
радиуса, образуя право и левовращающиеся спирали, если CMO
треть вдоль радиуса. Считают, что кольцевые сферолиты возни
кают при повышенных температурах кристаллизации или из
IJОЛL;(М РОВ, имеющих разветвленное строение макромолекул.
..
22
Если кристаллизация происходит из расплава, nOABeprHYToro
преДВ,арительному деформированию за счет сдвиrа или вытяжки,
то образуются сплюснутые сферолиты или сферолиты в виде
эллипсоидов вращения. При этом большая ось эллипсоида и кри
сталлоrрафическая ось а ячейки совпадают с направлением дe
формации, так как кристаллизация происходит из фибрилл, ори
ентированных по направлению действия внешней силы. Изделия
в этом случае прочнее в направлении течения, так как вдоль Hero
ориентирована ось а и, следовательно, проходных участков
молекул в направлении течения . на единицу площади будет
больше, чем в направлении, перпендикулярном течению.
При деформировании полимеров непосредственно в процессе
кристаллизации MorYT образовываться структуры,' построенные
из кристаллов с выпрямленными и сложенными цепями. При дей
ствии напря)кений сдвиrа макромолекулы разворачиваются вдоль
течения, при этом домены их располаrаются JЗ плоскости сдвиrа xz,
как показано на рис. 1.19. При кристаллизации из. междоменных
ориентированных участков возникают структуры с выпрямлен
ными цепями, а из доменов кристаллы со сложенны и цепями,
ось с ячейки которых направлена вдоль оси х. Далее "при увеличе..
нии силовых воздействий на расплав образуются бикомпонентные
кристаллы типа «шиш кебаб» (<<шашлыкоподобные» структуры).
В структурах типа «шиш кебаб» центральное волокнообразное
ядро состоит большей частью из aKeTHЫX кристаллов, образован
ных выпрямленными макромолекулами, BOKpyr которых начинают
расти ламелярные структуры из зиrзаrоуложенных макромоле
кул. Содержание кристаллов с выпрямленными цепя!vfИ возрастает
,
а
Рис. 1.18. Различные ВIIДЫ сферолитов:
а радиальный; 6J кольцевой.
б
2,3
а
5
///////////////////// \
Рис. 1.19. Изменение KOH
формации макромолеКУJl под
действием напряжения
сдвиrа:
а в равновесном состоя-
нии; б при течении рас-
плава.
z
' /1/1////1/1/11/1/1///
с увеличением напряжения сдвиrа или скорости деформации.
Следует отметить, что напряжение сдвиrа повышается с ростом
вязкости и скорости течения расплава. Структуры, внешне ПОХо
жие H рассмотренные, образуются при литье под давлением
в холодную форму полиа fида П 68. На микросрезах образцов
полимера видны чередующиеся слои аморфноrо и кристалличе
cKoro строения. При этом по фОрl\1е кристаллические области
вдоль н правления течения расплава (рис. 1.20, а) и в перпенди
кулярном течению направлении (рис. 1.20, б) различаются. На
срезе вдоль течения видны структуры, ориентированные перпен
дикулярно центральному слою.
Если кристаллизация протекает под высоким давлением (зоо
500 МПа) и при высокоЙ температуре, то из расплавов преимуще
ственно образуются кристаллические структуры из выпрямленных
цепей. При том }I(е давлении, но при быстром охлаждении кри
сталлизация' происходит в основном из сложенных цепей. MaKpo
молекулы в расплаве находятся в виде доменов, и быстрое охла
ждение не позволяет им перейти в новую конформацию, Т. е.
приобрести вытянутую форм'у. Необходимо отметить, что при YBe
личении давления' изменяется температура кристаллизации (точка
переrиба кривых на рис. 1.21). Так у полиэтилена высокой плот
ности при .давлении 200 МПа температура кристаллизации по
вышается до 185 ос. Это имеет практическо'е значение, так как
Рис. 1.20. Структура микросреза изделия, полученноrо ИЗ полиамида П-68. литьем под
давлением:
а микросрез вдоль течения'Трасплава; б микросрез поперек течения расплава.
24
1,3 / ().
\\С)
с\) \ \)
1.2 \ '\'J
tt) ,
'\'J
....
I
I
I
fi:) 1 1 I I
,
'>.
, <J
,
,
1,0 20 60 100 1'+0 180 220. Т. ос
,
Рис. 1.21. Зависимость изменения удеJlьноrо объема ПОJlиэтилена V уд от темпера-
ТУ.РЫ Т.
при больших давлениях, создаваемых в форме при ли ье, полимер
может непосредственно из расплава без охлаждения переходить
в квазикристаллическое состояние; при этом исключается течение
и затормаживаются релаксационные процессы.
При повышении давления вследствие более плотной упаковки
макромолекул в значительной степени должна увел чиваться
механическая прочность изделий. Даже в тех случаях, коrда дa
вление при кристаллизации невелико и образуются структуры из
сложенных цепей, прочность изделий выше, чем при кристаллиза
ции без давления. Это объясняется тем, что при кристаллизации
под давлением образуются более мелкие сферолитные структуры.
Однако имеются данные о неоднозначном изменении свойств поли
меров в зависимости от давления. Так, на кривых зависимости
от давления плотности, механической прочности и друrих свойств
имееrся два максимума при изменении давления от 20 до 200 МПа:
один в области 60 МПа, а второй 140 МПа.
На размеры кристаллических образований очень сильно
JJИЯЮТ скорость охлаждения полимеров и температура расплава
11 в ilр,оцессе переработки. При высокой скорости охлаждения обра
'\ЗУЮ'l"tя; мелкокристаллические структуры, так как времени на
пер'еrруппировку молекул недостаточно и кристаллизация закан
чивается на промежуточной стадии. Применяя быстрое охлажде
иие, можно из кристаллизующеrося полимера получить полимер
с «замороженной» структурой, подобной аморфному. В процессе
резкоrо охлаждения (закалки) в полимере образуются весьма
мелкие кристаллические Элементы, вероятно, на уровне кристал
литов. С течением времени в таких полимерах при температуре
выше температуры стеклования, но HeMHoro ниже температ ы
плавления будет происходить «холодная» кристаллизация с обра
зованием преимущественно пакетных кристаллов. Это наиболее
характерно для полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Так, при Harpe
25
ванни образцов ПЭТФ с замороженной стр l\ТУРОЙ до l O ос
ero скорость кристаллизации сопостаВl:Iма со с ростью ламеляр..
ной кристаллизации из расплава при 200 ос, но остиrаемая при
ЭТОl\f степень кристалличности не превыша т 40 %. Повысить
степень кристалличности можно только с помощью отжиrа (термо..
обработки) при более высокой температуре.
Получить полимер с более крупной СТРУКТУРО,й можно В ре-
зультате увеличения температуры кристаллизации (выдержка при
определенной температуре и медленное охлаждение) или предва..
рительноrо наrревания расплава перед кристаллизацией до более
ВЫсокой температуры. Последнее способствует разрушению пер-
вичных структурных образований, являющихся центрами кри"
сталлизации, и кристаллизация из TaKoro расплава, содержащеrо
небольшое число центров кристаллизации, приводит кобразова..
нию крупнокристаллических структур. ,
Форму кристаллических структур можно изменять, испол'ьзуя
в качестве поверхностей кристаллизации подложки из различных
материалов. Так, при кристаллизации полиэтилена на подложке
из политетрафторэтилена у поверхности пленки возникает большое
число центров кристаллизации и образуется плотноупакованный
кристаЛЛИ9еский слой. Этот слой состоит из перпеНДИКУЛЯРНО j
расположенных у поверхности продолrоватых (анизотропных).:j
кристаллов, по форме напоминающих слоевые структуры, пока-;I
занные на рис. 1.20, а.
Одним из методов воздействия на процесс кристаллизаци .
является введение в расплав небольшоrо количества искусствен'
ных зародышей. кристаллизации (1 2 %). При охлаждении ра 1..
плава они являются дополнительными центрами, в которых нач ..
нается кристаллизация, при этом rеометрическая форма введ I -
Horo зародышевоrо кристалла опреде.1Jчет 'конфиrурацию крис л..
лических структур. Так, на мелких кристаллах растут сферолит-
ные образования, на длинных иrольчатых кристаллах ленто-
образные структуры. При использовании в качестве структуро-
образователей нитевидных кристаллов ализарина образуются
пленки с анизодиаметрической ленточной структурой. .
В качестве структурообразователей кроме перечисленных ранее
веществ используют также окислы алюминия и ванадия, кварц,
двуокись титана и др. Вводимые зародыши кристаллизации обычно
не влияют на' степень кристалличности, большой период склады..
ания и степень молекулярной ориентации кристаллов, но при..
водят, как правило, к измельчению сферолитной CT PYKTYPЫ
полимера.
еханизм взаимодействия полимера со структурообразовате-
лем окончательно не раскрыт, однако считают, что на rранице
раздела возникают напряжения, способствующие началу кристал-
лизации. Наличие напряжений 8 процессе кристаллизации npl-!-
водит к созданию структурных элементов, устойчивых к более
высоким температурам, чем при кристаллизации в равновесных
условиях. Вследствие адrезионных сил На кристаллической по..
26
верхности структурообразователей MorYT образовываться моно..
u u U
слои с упорядоченнои укладкои макромоле ул, что в дальнеишем
обеспечивает направленную кристаллизацию полимера и создание
упорядоченных структур. Кроме этоrо, вводимые частицы обла..
дают обычно большей теплоемкостью, чем полимер, поэтому на
rранице с, этими .центрами MorYT возникать температурные rpa-
диенты, инициирующие начало кристаллизации вследствие ме..
CTHoro переохлаждения. . . .
При переработке полимеров обычно имеют место нестационар-
H e условия теплопередачи и скорость охлаждения изменяется
По. толщине изделия. Поэтому в большинстве случаев образуются
неоднородные по размерам кристаллические структуры (более
мелкие в поверхностных слоях) и полимер имеет меньшую степень
кристалличности. У таки.х полимеров, как поликарбонат, поли-
амид, полиэтилентерефталат, поверхностный слой им:еет аморфное
строение,' а во внутренних слоях образуются кристаллические
структуры больших размеров. .
В тех случаях, коrда необходимо достичь однородности свойств
по толщине изделия, применяют отжиr или последующую термо-
обработку изделий при температурах ниже температуры ПJIавле..
ия. При отжиrе цроисходит увеличение большоrо периода 1,
Т'. е. ДЛИНрI складывания участка макромолекулы (см. рис. 1.13, а).
Механизм утолщения ламели состоит в том, что отдельные cer-
менты сложенной цепи выходят из ламели, вследствие чеrо обра-
зуются более длинные зиrзаrl!. При этом число складок умень"
шается, а их длина соответ'ственно увеличивается. В результате
у еньшения объема, занимаемоrо в полимере проходными молеку"
л ми и их петлеобразными участками, с увеличением большоrо
п риода возрастает плотность полимера (рис. 1.22). При этом чем
выше температура и чем больше время выдержки, тем выше плот-
I насть полимера.
Термообработка целесо-
образна в тех случаях, коrда
необходимо повысить твер-
дость, модуль упруrости,
(Jr,МП«
110
.....
.
9'0 . O
910 30
960 20
011 O,J 0,5 О, 7
. , 1 10.8 -1 1020
.... м '10
'.1 1 60 80а,О/о
\
Рис. I 22. ЗаВИСИl\-IОСТЬ плотности МОНОКРИСТUJlО8 ПОJlИ9ТR.Dева от обратной величины
БО.Dьшоrо периода 1/1.
Рис. 1.23. а'IfСИ1'tJО Т пре,цeJI rекrчестlt QQ ипроq JI Н qT теп ни кристаJlJlИЧ.
"gcT" , I
27
механическую прочность, теплостойкость и стойкость к цикли-
ческим наrрузкам. Однако такие показатели, как относительное
удлинение, ударная ВЯЗI{ОСТЬ, при термообработке понижаются.
Из изложеНН9rо следует, что в заВИСИ1'\tl0СТИ от размеров
и формы кристаллов изменяются свойства полимеров., Несмотря
на HeKoTopl:>Ie частные зависимости, обусловленные строением
полимеров, для большинства из них характерна взаимосвязь
механической прочности и степени кристалличности. Так, для
полипропилена эта зависимость (рис. 1.23) весьма существенна
и предел текучести (предел вынужденной эластичности) изме
няется почти в 4 раза, а ударная вязкость и относительное удли
нение уменьшаются.
В большинстве случаев, коrда изделия должны эксплуатиро
ваться под наrрузкой в течение длительноrо времени, наилучшей
структурой полимера является мелкокристаллическая. Однако
окончательный выбор условий кристаллизации с целью получения
заданной структуры может быть сделан лишь с учетом комплекса
требований, предъявляемых к изделию. Например, если изделие
предназначено для эксплуатации в условиях повышенных темпе..
ратур, то полимер должен иметь высокую степень кристаллич
ности. При этом всеrда нужно помнить, что свойства полимеров
зависят не только от формы и размеров кристаллических структур,
но и от упаковки макромолекул (rексаrональная, моноклинная
и т. д.). По разному деформируются полимеры, построенные из
сферо.питов кольцевоrо или радиальноrо типа. Пленки, изrото"
вленные Ир полимеров, имеющих структуру в форме радиальных
сферолитов, обладают большей механической прочностью, чем
пленки из полимеров, построенных из кольцевых сферолитов.
Таким образом, вопросы структуры полимеров весьма важньt
для управления технолоrическими процессами и наряду с реоло-
rией представляют собой основы теGрии переработки полимеров.
r лава 2
ОСНОВЫ РЕолоrии РАСПЛАВОВ
ПОЛИМЕРОВ
Реолоrия ....... наука, изучающая деформацию и течение, происходя-
щие в материалах под воздействием сил. Как уже было рассмо-
трено в rл. 1, полимеры при наrревании выше температурыe:rеку-
чести или плавления переходят в вязкотекучее состояние, т. е.
становятся способными к развитию больших необратимых дефор
маций к течению. При приложении внешних сил (например,
rидростатическоrо давления) или при движении поверхностей,
контактирующих с расплавом полимера, возникает течение, OCHOB
ная особенность KOToporo заключается в том, что OДHOBpeMeHHO
развиваются три вида деформации: мrновенная упруrая, BblCOI</?/
28 (
эластическая (запаздывающая упруrая) и пластическая (необра-
тимая). В зависимости от условий деформирования, скорости и
времени течения, а также стационарности процесса (постоянство
параметров) расплавы полимеров MorYT проявлять свойства вяз
J{ИХ, вязкоупруrих или тиксотропных жидкостей. Кроме этоrо,
в процессе течения расплавов полимеров возникают эффекты, не
характерные для друrих. жидкостей, эффект Вайссенберrа,
эффект Барруса и эластическая турбулентность. Таким образом,
расплавы полимеров являются сложными реолоrическими систе..
мами.
Для анализа закономерностей течения жидкостей используют
феноменолоrический подход и метод, основанный на использо
вании молекулярно"кинетических представлений. При фено
менолоrическом (формализованном) подходе ИСПОЛЬЗУJОТСЯ MO
Дели, характеризующие реальные своЙства, и дается ИХ MaTeMa
тическое описание, а во BTOpOl'\t1 случае особенности течения pac
сматриваются с точки зрения строения полимеров на молекуляр
ном и надмолекулярном уровнях.
Характер течения жидкостей оценивается с помощью зависи
мости напряжения сдвиrа от скорости сдвиrа или скорости дe
формации. Эта зависимость может быть представлена rрафически
или в виде аналитической функции реолоrическим уравнением
состояния. Применимость ero для анализа реолоrических свойств
наиболее просто проследить на ПрИl'llере рассмотрения ВЯЗКИХ
жидкостей.
2.1. ВЯЗКИЕ ЖИДКОСТИ
Вязкие жидкости по характеру течения, а точнее в зависимости
от со тношения напряжения и скорости СДВиrа, подразделяются
на четыре: вида: ньютоновские, вязкопластичные, ' дилатантные
и пс вдопластичные.' ,
Ньютоновские жидкости. Ньютоновские жидкости характери-
зуются прямопропорциональной зависимостью напря ения
сдвиrа от скорости с виrа (рис. 2.1, а). К ньютоновским жидко-
CT M относятся низксЩ.а.леКУJlярные жидкости, у которых дисси-
паnия знерrии вязкоrо течения обусловлена столкновением Не-
боп:ьших молекул и вязкость Н,е зависит от скоро ти сдвиrа (rpa-
6 "
P . 2.1. Зависимость от ско-
р IT сдвиrа напряжения сдви-
r (кривые течен я) (а) и вяз
K тв (6) дJlя раЗJIИЧНЫХ жидко-
с', й: .
'!. вязкопластичная (тело Шве-
дloва БИнrама); 2 псев-
Ьпластичная; 3 ньютонов
JIt ая; 4 дилатантная.
t:t
.
.
,
"
T!
.о
е:
u
с)
2
3
1
'. Схорост6 сО6и.ео,
CKop.f'Cmb с66иеа
29
диента скорости). Вязкость НЬЮТОНовских жидкостей -изме-
няется только от тем'пературы или СТРоения веще тва.. Изме"
нение вязкости достаточно хорошо отображается rрафически:
чем выше вязкость, тем больше уrол наИ:Лона линейНОЙ зависи-
мости. .
ВЯ3КОПJlастичные жидкости (тело шведоВа---......БинrаМа). Для
вязкопластичных жидкостей, характерно наЛичие предельноrо
наПРЯ}l{ения сдвиrа при течении. Течение таких жидкостей проис..
ходит лишь в том случае, коrда напряжение СДВиrа при прило е-
нии силы больше предельноrо напряжения текучести 't'T (СМ.
рис. 2.1, а). Такое поведение жидкостей, вероятно, объясняетсЯ
тем, что они способны к образованию пространственных структур,
которые препятствуют сдвиrу слоев, т. е. при определенных напря-
жениях такие )кидкости проявляют свойства упруrоrо тела.
После Toro как под действием внешних сил эти структуры раз .
рушатся, появляется течение. Данные структуры ЯВЛяются обра
тимыми ,и после снятия деформации в стати еском состоянии
через некоторое время восстанавливаются.
По характеру течения к вязкопластичным жидкостям отно-
сятся буровые растворы, шламы, масляные краски. Так, при
нанесении краски под действием внешних сил (движение кисти)
происходит ее течение и равномерное распределение по поверх-
ности. Если краска нанесена тонким с'лоем и напряжения, возни
кающие под действием сил rравитации, меньше, чем напря?Кение
текучести, краска со стены не стекает. При нанесени толстоrо
слоя соотношение напряжений изменяется и вследствие течения
краски образуются подтеки. При течении вязкопластичных жидко-
стей по трубам в центральных слоях, там rде напряжения меньше
предела текучести, сдвиr слоев жидкости отсутствует. Жидкость
течет как бы имея центральное ядро, с прямоуrольным профилем
скорости. . \ -
ДИJlатантные жидкости. Течение дилатантных жидкостей ха-
рактеризуется увеличением вязкости с ростом скорости СДВНrа.
Это хорошо видно по увеличению уrла наклона касательной к кри-
вой на rрафической зависимости (рис. 2.1, б, кр вая 4). При уве-
личении скорости течения подобных жидкостей напряжение сдвиrа
опережает рост скорости сдвиrs, т. е. отношение напряжения
сдвиrа к скорости сдвиrа, численно характеризующее вязкость,
непрерывно у еличиваетс . Такой тип течения БЫJl. впервые
обнаружен Рейнольдсом в'" суспензиях при большом содержании
твердой фазы. Некоторые исследоватрпи 'счит ют, Ч1'о Kor a по-
добные материалы подверrаются сдвиrу, с небольшой скоростью
деформа ии, вероятно, .,IOrдкость служит как бы смазкой, умень-
шающей трение частиц "\-а при больших скоростях сд;виrа ПJIотная
упаковка частиц нарушается и материал не олько .увеJlичивает .я
в объеме. При новой структуре жидкости уже достаточно для
смазки трущихся' друr о друr ." частиц; и - напряжения С;Цвиrа
увеличиваются значительно быстрее, _ Ч ... rрад'иецr" скорости,
поэтому вязкость возраст ет,
30
ис. 2.2. fрафическое изображение реОJlоrичееких 1 9 ' 't'
lависимоtтей вязких жидкостей в Jlоrарифмических
I(оордина тах:
I ньютоновская; 2 псевдопластичная с одной
fJЫОТОНОВСКОЙ областью течения; 3 псевдопластич
fJая с двумя ньютоновскими областями течени-я; 4
I1севдопластичная с малой вязкостью и постоянной
тепенью аномалИИ вязкости.
- . ..
ПсеВДОПJlастичные жидкости. Для
псевдопластичных жидкостей xapaKTep
Но уменьшение вязкости с увеличением
скорости сдвиrа (рис. 2 1, б, кривая 2).
В данном случае напряжение сдвиrа
растет 'медленнее, чем скорость сдвиrа, и уrол наклона касатель
ной к кривой уменьшается. К псевдопластичным жидкостям OTHO
сятся некоторые суспензии, содержащие асимметричные частицы.
ПРОЯВUIение аномалии вязкости, в данном случае уменьшение ее
с ростом скорости сдвиrа, объясняется тем, что с увеличением
скорости течения асимметричные частицы постепенно ориенти
руются. При этом вязкость убывает до тех пор, пока сохраняется
возможность дальнейшеrо ориентирования ч'астиц, а затем зави
симость напряжения от rрадиента скорости становится линейной.
Свойствами псевдопластичных жидкостей обладают также pac
творы' и расплавы большинства полимеров. Однако для них aHO
малия вязкости обусловлена строением макромолекул и xapaKTe
ром надмолекулярных образован й, возникающих в расплаве.
L{ля ррсплавов полимеров характерно также изменение степени
аномалии вязкости в зависимости от скорости сдвиrа, т. е. изме
пение ,вязкости при различных скоростях сдвиrа неодинаково.
Заметить это в обычных координатах 't == ер (у) очень сложно,
поэтому для анализа кривых 'течения пр и меняют rрафическую
зависимость в двойных лоrарифмических координатах. Как видно
из ри . 2.2, для ньютоновской жидкос:rи характерна линейная
зависимость 19 't от 19 V с постоянным наклоном, которая при
уменьшении вязкости сдвиrается вправо.
Реолоrические кривые для псевдопластичных жидкостей pac
полаrаются под некоторым уrлом к иниям ньютоновских жидко
стей (пунктирные линии). При этом чем большей аномалией вяз
кости .обладает. жидкость, тем сильнее это отклонение. Из cpaB
нения кривых 2 и 4 на рис. 2.2 видно, что у первой жидкости вяз
кость уменьшается в зависимости от скорости сдвиrа значительно
сильнее', чем у второй. .
Ст пень изменения аномалии вязкости системы отраж еТСЯ
отклонением rрафической зависимости от прямолинейной. Так,
из рио. 2.2 видно, что такое изменение отсутствует для жидкости 4.
Кривая 2 при малых скоростях сдвиrз идет параллельно прямой 1.
для ньютоновской жидкости, а затем отклоняется. Это указывает
на то,'. что для такой жидкости характерно наличие первой ньюто"
новской области, коrда аномалия вязкости отсутствует, Т. e при
малых rрадиентах вязкость постоянна и имеет максимальнее зна
чение. Такое значение наЗЫВflЮТ наибольшей ньютоновской вяз
/
/
/
/
/
'/
/
/
/
/
/
gj
31
t<:остью И обозначают 110. БОЛЬШИlIСТВО растворов ПОЛИ lеров имеюТ
две Ньютоновские области (кривая 3), при этом вязкость для вто"
рой области обозначают 1100. Таким образом, анализ реолоrиче..
ских зависимостей в лоrарифмических координатах дает доста..
точно подробную качественную характеристику течения и широко
используется для оценки реолоrических свойств расплавов поли..
меров.
Рассмотренные зависимости 1'.10ЖНО представить в виде матема..
тической функции, т. е. описать с помощью реолоrическоrо ypaB
нения состояния, которое выражает зависимость напряжения
сдвиrа от скорости деформации (скорости сдвиrа) и является
математической моделью, отражающей реальные свойства среды.
Для неС}l{имаемых вязких ньютоновских жидкостей уравнение
имеет вид:
1:ij == 1'}L\ij (2.1)
rде 1:ij компонента напряжения сдвиrа, Па; 1'} вязкость расплава, Па. с;
ij тензор скорости деформации, определяемый по уравнению:
L\ . . ди i + ди j ( 2 .2)
l} aXj aXi
В зависимости от системы координат запись имеет следующий
вид:
В прямоуrольных' координатах:
( дих
1: ху == 11 ду +
( диу
1: yz == fJ az -1
( avz
1: xz :-.:= 1') дх +
в цилиндрических координатах:
\
( ди 1 aV r )
1: rz == 1'} д, + aZ
диу ) (2.3)
дх
av z ) (2.4)
ду
дv ж ) (2.5)
az
(2.6)
1: r e == 1) [ , ( ) + aU r ]
д" ,де
( дие 1 av z )
1: z & =--= 1'} az I '. де
(2.1
(2.8)
Напряжения сдвиrа распол ожены в плоскости сдвиrа слоев
жидкости и направлены по одной из координат, что обозначается
с помощью индексов. Первый IIндекс у напряжения сдвиrа озна..
чает координату, перпендикулярную к поверхности, в которой
возникает напряжение, а второй индекс направление этоrо
напряжения.
Приложение сдвиrовых напряжений неизбежно вызывает рас-
тяжение или сжатие элементо в }кидкости в соответствующих
направлениях, т. е. при течении ПОЯВЛЯIОТСЯ нормальные напря
жения. Они возникают также при создании в ЖИДКОСТИ rидро"
32
Рис. 2.3.' Пространственное раСПО.lО]l(ение векторов напряжений в ЭJlементе деформи
руемой ]l(ИДКОСТИ с ИСПОJlьзованием ЦИJlиндрических (а) и прямоуrОJlЬНЫХ (6) координат.
статическоrо давления. Сжимающие или растяrивающие нормаль-
ные напряжения обычно обозначают буквами с двумя одинаковыми
индексами (1хх, (1уу, (1%% И Т. д. .
, Нормальные напряжения связаны с деформацией уравнениями
. u v
И для несжимаемых ньютоновских жидкостеи имеют следующии
вид:
В прямоуrольных координатах:
2 afJx. afJy
'Тхх:::; 1) дх ' ТУ1/ == 21) ду
2 avz
't 2Z == 1)----дZ
(2.9)
в цилиндрических координатах:
. 2 ОО Т . 2 ( 1 дVв + fJr ) .
Trr == 1) дf.' Тее == "1 ., -дв- r'
2 дV z
т zz == 1) (jZ""
(2.10)
Пространственное расположение векторов напряжений n(}
казано на рис. 2.3.
В соответствии с законом парности касательных напряжений
имеем:
I Тху I == I Тух 1; I Tyzl == 1 Tzy 1; I т zж I "":"" I Txzl
. Таким образом, из девяти компонент тензора напряжений
независимыми являются только шесть: три нормальных и три
касательных напряжения.
T H30p скорости деформации зависит от характера действия
внешн сип и вида течения вязкой среды. Так, при простом сдви
rOBoM течении, коrда имеется только одна составляющая скорости,
одна из компонент скорости деформации становится равной нулю,
и реолоrическое уравнение (2.1) принимает вид уравнения Нью
тона:
дv! .
. TIJ 2: т) == 1)"
aXi
(2. 11)
rде V скорость сдвиrа, c"' l .
2 Бортников В. r. 33
По физическому смыслу скорость СДВИrа это интенсивносТЬ
изменения скорости ПОТОI<а по координате, нор мальной к пло
скости сдвиrа. Для вязкопластичных жидкостей, имеющих пре
дельное напряжение СДвиrа, реолоrическое уравнение состояния
равно:
'Cij == 'Ст + 1] ( : + )
Для дилатантных и псевдопластичных жидкостей наблюдается
зависимость вязкости от скорости сдвиrа. Так как на вязкость
влияет режим течения, вводят понятие эффективной вязкости,
т. е. вязкости, измеряемой при определенном значении скорости
СДВИrа. Для вычисления вязкости используют уравнение:
11 == 1:/V
(2. 12)
в более общем виде вязкость является функцией скорости
деформации:
11 === <р (J 2/2)
rде J 2 второй инвариант тензора скоростей деформации.
В прямоуrольных координатах:
(2.13)
2 1 J2==2 [( avx ) 2 + ( avy ) 2 + ( avz ) 2 ] + ( aVy + av x ) 2 +
дх ду az дх ду. I
-+ ( afJz + avy ) 2 + ( avx + av z ) 2
ду az az дх
В цилиндрических координатах:
1 [ ( av r ) ( 1 aVe + r r ) 2 + ( a a v z Z ) 2 ] +
2'J 2 ==2 ar 2 + r д6
+ [ r ( ) + aVr ] 2+ [ + aVe J 2 +
ar r r де r де az
L [ aVr + av z. J 2
I az ar
/ (2. 14)
(2.15)
Уравнение (2.13) принимает конкретный вид в зависимости от
реальных свойств жидкости. Так, для расплавов полимеров, про
являющих постоянную степень аномалии вязкости в достаточно
широком интервале скоростей сдвиrа' и не имеющих выраженной
ньютоновской области, применяется степенное уравнение Ост..
вальда:
.11 == к (J2/2)(n 1)/2
(2 . 16)
rде К коэффициент, численно равный вязкости системы при V == 1; n по-
казатель степени, для расплавов полимеров n < 1.
При наличии на реолоrической кривой первой ньютоновской
области используются уравнения Прандтля Эйринrа (2.17)
или Виноrрадова Малкина (2.19), а для )кидкостей с первой
34
,...
и второй ньютоновскими областями уравнение Пауэлла
Эйринrа (2.18):
1)0 arsh (А VJ;!2)
11 == А V J 2/2 .
i ( ) arsh (В V J 2 /2 )
1) === 1)00 I t)o t)oo
В V J 2 /2
(2. 17)
(2. 18)
1')0
1) == 1 + С 1 V (J2/2)0,З + С 2 V (J 2 /2)Ot'l1
(2.19)
I
rде 1)0 наибольшая ньютоновская вязкость (при малых скоростях сд иrа);
1')00 вязкость, соответствующая второй ньютоновской области (при больших
скоростях сдвиrа); А, В, С 1 , С 2 постоянные.
Кроме приведенных имеется ряд уравнений друrих авторов.
Возможность практическоrо использования Toro или иноrо ypaB
нения определяется точностью описания ими реальных реолоrи
ч ских свойств и удобством решения конкретных задач технолоrии
переработки. Примеры решения подобных задач будут paCCMO
трены в разделах 2.3 2.7.
2.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ сдвиrовоrо УСТАНОВИВШЕrося
ТЕЧЕНИЯ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ
в дан'ном разделе мы рассмотрим установившееся течение,
коrда скорость деформации не изменяется во времени или по
длине канала. При таких условиях течения влиянием упруrих
деформаций и проявлением тиксотропии можно пренебречь. Как
уже было рассмотрено ранее, большинство линейных полимеров
при температурах выше температуры плавления способны coxpa
пять упорядоченную надмолекулярную структуру в виде кристал
литов (микроблоков). В соответствии с принципами статистиче-
ской термодинамики данную структуру необходимо рассматри-
вать как набор различных подсистем, обладающих оrраниченной
автономностью и зависящих от фактора времени. Непосредствен-
U u U
пои структурно кинетическои характеристикои является По-
движность, определяемая временем жизни образующихся струк-
турных элементов.
В статическом состоянии, т. е. при отсутствии внешних СИЛ,
микроблоки не имеют пространственной ориентации, как схема-
тично показано на рис. 1.19, а. При воздействии силы появляется
сдвиrовое течение, при этом возникающие напряжения зависят от
скорости деформации системы. При низких скоростях сдвиrа тече-
ние расплавов таких полимеров происходит за счет смещения слоев
по rраницам микроблоков.
Поскольку отдельные структурные элементы связаны проход
ными участками макромолекул или петлеобразными перехлестами,
То возникающие при разрушении таких пространственных узлов
напряжения велики, т. е. распдав обладает больщой, вязкостью.
2* э5
ИСZD6но MtcтQ
положение пережо i1a
I 1,
I I ,
,. ' и 1 ... .. ' При этом разрушенные пространст
венные узлы ПОД действием тепловой
флуктуации возникают снова. на
r друrих "участках. Если скорость об
разования их соизмерима со скоростью разрушения, то напря
жения сдвиrа пропорциональны rрадиенту скорости и pac
плав течет как ньютоновская жидкость, т. е. наблюдается первая
ньютоновская область.
При увеличении скорости. течения число nространственных
узлов постепенно уменьшается, так как они разрушаюrся быстрее,
чем образуются вновь, поэтому напряжение сдвиrа отстает от роста
скорости сдвиrа и вязкость системы снижается, т. е. появляется
аномалия вязкости. Начинает происходить разворqт структурных
элементов и их ориентация относительно направления деформа
ции. При высоких скоростях сдвиrа, коrда напряжения велики,
частично микроблоки (структуры) разрушаются, однако они не..
прерывно возникают вновь за счет аrреrирования доменов из
ориентированных в определенной степени макромолекул (см.
рис. 1.19, б). При последующем СДвиrе системы, состоящей из
таких ориентированных микроблоков, течение облеrчается, т. е.
происходит снижение вязкости. Кроме Toro, при последователь-
ном разрушении пространственных узлов основная цепь MaKpo
молекулы рас олаrается в узком слое, что облеrчает деформирова-
ние системы и приводит к уменьшению вязкости. .
Процесс течения, т. е. развитие необратимой д формации,
происходит в результате последовательноrо перемеrцения cerMeH*
тов макромолекул. При этом передача внешнеrо"импульса по цепи
макромолекулы аналоrична волновому движению. Потенциальная
энерrия элемента течения относительно исходноrо положения
и места перехода имеет два минимума, разделенных потенциаль-
ным барьером с высотой и (рис. 2.4). :Соrла но теории ФренкеJlЯ
и Эйринrа, элементарн й акт теч'ения осуществляется путем
перехода через энерrетический барьер молекулярно-кинетической
единицы ПQД воздействием внешней энерrии, создаваемой при
СДвиrе слоев жидкости.
Таким образом, суrцествование флуктуационных упорядочен
ных структур в расплавах полимеров объясняет их неньютонов-
ское поведение и высокую вязкость. Снижение вязкости линейных
поли еров на несколько порядков при увеличении скорости сдвиrа
можно объяснить обратимым разрушением упорядоченных CTPYK
тур, связанных свободными проходными участками макромолекул
в единую пространственную сетку. При этом разрушение проис
ходит посредством индивидуальноrо отрыва (передвижения) cer-
ментов как отдельных кинетическиХ единиц.
При воздействии напряжения сдвиrа наблюдается также ори
ентация проходньtх участков макром;олеКУЛ t чТО ПРИБDДИТ К раз-
36
Рис. 2.4. Кри.ая потеНЦlfальной энерrни элемен-
та течения.
витию упруrой запаздывающей -(высокоэластической) .деформации.
Одновременно изменяются также валентные уrлы основной цепи
и увеличиваются расстояния между складками в доменах, вслед-
ствие чеrо накапливается мrновенная упруrая деформация, зна-
чение которой определяется напряжением сдвиrа и rибкостыо
макромолекул, и появляютоя- нормальные напряжения при те-
чении.
у полимеров, не способных к образованию флуктуационных
упорядоченных структур в расплаве, аномалии вязкости при Te
чении расплавов не наблюдается или она проявляется незначи
тельно. Течение расплавов таких полимеров также осуществляется
за счет последовательноrо перемещения отдел'ЬНЫХ cerMeHToB,
но без разрушения пространственных узлов, поэтому вязкость
зависит лишь от межмолекулярноrо взаимодействия и молеку-
лярной массы полимера. При этом зависимость вязкости от моле
кулярной массы у таких полимеров должна быть линейной. Слабо
выраженная аномалия вязкости при течении таких полимеров
ожет быть обусловлена разворотом макромолекул и частичной
их ориентацией в направлении течения. При этом осуществляется
переход макромолекул в узкие монослои, по которым происходит
сдвиr расплава при последующем течении, и вязкость понижается.
Если же в расплавах MorYT образовываться упорядоченные струк-
туры, то при достижении определенной молекулярной массы Мс,
зависимость эта становится нелинейной. Это объясняется тем, что
при М > Мс возникает сетка флуктуационных межмолеКУЛЯРН IХ
зацеплений, и на разрушение узлов этой сетки при течении тре-
буется больше энерrии, чем на перемещение cerMeHTa. При течении
с малыми скоростями сдвиrа, коrда эти узлы успевают BOCCTaH "
вливаться, возникают большие напряжения сдвиrа. С увеличе.
U . .
нием молекулярнои массы число узлов сетки растет значительно
быстрее, поэтому зависимость вязкости отклоняется от линейной
(рис. 2.5).
При течении с большими скоростями сдвиrа в результате пере-
мещения и ориентации проходных и петлеобразных участков Ma .
ромолекул, а также вследствие уменьшения числа узлов про-
странственной сетки, вязкость становится пропорциональной мо-
лекулярной массе, так как в этом случае она обусловлена только
межмолекулярным взаимодействием.
Зависимость вязкости расплава полимера от молекулярной
Macc можно описать уравнением:
1) == см а (2.20)
rде С постоянная, зависящая от вида МО- 19- 1J
номера; 1 а 3,5, при малых скоростях
сдвиrа а 3,5, а при V --+ 00, а 1.
На реолоrические свойства распла-
вов полимеров значительное влияние
Рис. 2.5. ЛоrарJfфМtlческая зависимость вязкости
расплава полимера от ero молекr ярцоi% L\C b' QPIi
ра3J1!1ttиы с;"оростц" сд.8 r",
lrM
I Ml!J
87
т,Па
ir!.
j
1#
3
2
10.
9
7
5
*
3
2
Рис. 2.6. Кривые течения раСПJlавов ПОJlимеров:
1 поливинилхлорид кабельный, 185 ос; 2 дифлон, 260 ос; 3 полиформальдеrид,
21 О ос; 4 полиэтилен низкой плотности, 190 ос; 5 макролон, 260 ос; 6 дифлон,
270 ос; 7 полиэтилен высокой плотности; 8 полистирол ударопрочный, 200 ос;
9 полиамид П-68н, 240 ос; 10 полиамид П-68, 250 ос; 11 полиамид П 6810т,
250 ос; 12 лавсан, 270 ос; 13 лавсан, 280 ос.
оказывает молекулярно-массовое распределение (ММР): чем
оно больше, тем сильнее проявляется аномалия вязкости.
Объясняется это тем, что у полимеров с широк м ММР образуются
полидисперсные флуктуационные CT YKTYpы, вследствие чеrо
в расплаве возрастает число узлов пространственной сетки. Сдви-
rOBoe течение, сопровождаемое разрушением этих узлов, обусло-
вливает более сильное уменьшение вязкости у расплавов полиме-
ров с широким ММР.
Экспериментально установлена, что при течении полимеров
с широким ММР, низком6лекулярные фракции преимущественно
располаrаются около неподвижных поверхностеЙ, а высокомоле-
кулярные З8 счет большей длины цепи пер мещаются в область
течения с большими скоростями. Таким образом, увеличение со-
держания ниэкомолекулярных фракций в слоях, подверrающихся
наиболее интенсивному сдвиrу, облеrчает течение расплава, при
этом фактически уменьшается вязкость не всей системы, а только
этих слоев, т. е. происходит ка;жущееся снижение вязкости рас-
плава.
О различии реолоrических свойств расплавов полимеров можно
судить по рис. 2.6. Если проанализировать кривые течения (за-
висимость напряжения сдвиrа от скорости сдвиrа), то можно
заметить, что расплавы таких полимеров, как поликарбонат,
полиамид, полиэтилентерефталат (лавсан), почти не проявляют
аномалии вязкости и по характеру течения приближаются к пью-
тоновским жидкостям (для сравнения на рис. 2.6 пунктирными
линиями нанесены зависимости для ньютоновских жидкостей).
Слабое проявление аномалии вяз ости у перечисленных полимеров
указывает на то, что при их течении почти не происходит разруше-
ни уз о pOCTpaHCTB HOЦ CTPYKTYPHO eT ид оци ОТСУТ.
ад
ствуют iз р спJ1авах данных полимеров. Наибольшей вязкостью
из рассматриваемых полимеров обладает поликарбонат, что об
условлено сильным межмолекулярным взаимодействием за счет
карбонатных rрупп, входящих в полимерную цепь. Вязкость
расплава полиэтилентерефталата, наоборот, на три порядка ниже,
чем расплава поликарбоната. Наиболее сильно аномалия вязкости
проявляется при течении расплавов пластифицированноrо поли
винилхлорида, полиэтилена, полистирола, полиформальдеrида,
полипропилена и некоторых друrих полимеров. При малых CKO
ростях сдвиrа вязкость таких полимеров равна или даже выше,
чем у поликарбоната, а при больших скоростях сдвиrа становится
почти равной вязкости полиэтилентерефталата, Т. е. изменяется
в очень широких пределах.
Такое сравнение реолоrиче'СКИХ характеристик различных
полимеров позволяет проследить закономерности изменения их
в зависимости от строения иконформации макромолекул. Полу
чаемые реолоrические данные MorYT быть использованы для
.оценки перерабатываемости полимеров и расчетов технолоrиче
ских параметров.
Как уже отмечалось ранее, для описания реолоrических
зависимостей применяются различные уравнения состояния. Наи
более часто в инженерных расчетах используется степенное ypaB
нение, которое для сдвиrовоrо одномерноrо течения имеет вид:
К ( dv ) n K .n
't dy V
(2 .21 )
Преимущество степенноrо уравнения заключается в том, что
оно содержит два коэффициента, которые леrко определяются
rрафически или аналитически по данным реолоrических исследо
ваний. Представим уравнение (2.21) в лоrарифмическом виде:
Ig т:.:=. Ig К + n Ig V (2.22)
Тоrда К == 't при" == 1, а n == 19 't/lg" или для удобства
использования табличных данных:
Ig (Т2/Тl)
n :=:: 19 (V2/Vl)
(2.23)
rде Т 2 И Т1 напряжения сдвиrа, а 'У2 и 'Уl скорости СДвиrа, соответствующие
двум точкам реолоrических измерений.
В тех случаях, коrда зависимость 't == ер (,,) в лоrарифмических
координатах не является линейной, для нахождения коэффи
циентов К и n спрямляют участок кривой, который представляет
практический интерес для расчетов, а линейная зависимость ин
теРПОЛИр'уется на ось ординат.
Для более точных расчетов с использов н ием ЭВМ применяют
реолоrическое уравоение:
19't" === ао + a 1 lg V + al (lg -У)2 + T + аl/!.Т2 + a12T 19 V (2.24)
rде ai постоянные; Т температура полимера.
39
Если сопоставить уравнения (2.24) и (2.22), имеем
19 К == ао + а2 Т + а22 Т2 (2.25а)
n == йl + Qll l g V + а12 Т (2.256)
Таким образом, используя приведенные равенства, можно
при расче ах применять степенное уравнение в достаточно широ
ком интервале скоростей сдвиrа, так как оно охватывает нелиней
ную область кривой течения.
Зависимость вязкости расплавов полимеров от температуры
также имеет нелинейный характер, и влияние температуры при
различных скоростях сдвиrа неоднозначно. Если сравнить изме
нение вязкости с повышением температуры при маЛ IХ скоростях
сдвиrа, то оно значительно больше, чем при больших. Это объяс.
няется тем, что течение при низких скоростях не вызывает значи
тельноrо разрушения микроблоков и узлов пространственной
сетки, поэтому при высоких температурах происходит их раз
рушение под действием тепловой флуктуации и вязкость с ростом
температуры сильно уменьшается.
При течении с большими скоростями, коrда CTPYKTYpь практи
чески уже разрушены, повышение температуры изменяет вязкость
незначительно. В данном случае влияние температуры сводится
к изменению межмолекулярноrо взаимодействия и подвижности
макромолекул. Влияние температуры на эффективную вязкость
можно проследить на рис.' 2.7. При высоких температурах у pac
плавов полимеров аномалия вязкости уменьшается, это можно
установить по уrлу наклона линий, так как показатель степени n
становится больше, чем при низких температурах.
Чтобы получить зависимость вязкости от температуры, Ha
ходят ее значения при постоянноЙ скорости сдвиrа, для чеrо
проводят Q.ЯД сечений на рис. 2.7 при V == co"nst, а затем строят
rрафик в координатах 19 11 Т или 19 11 1fT. При изменении
температуры в небольшом интервале наблюдается линейная зави
симость между 19 11 и температурой. Однако эта зависимость
6
1J Jrpф ,
J
"1
J
if L y, с 1
...
с,)
5'
t:::
'"
&.
е..
t:n*
,...:а
. . ...
2
T'I
7j Tz т;
Рис. 2.7. Лоrарифмическая зависимость вязкости расплава поливинилхлорида от CKO!l
рости сдвиrа при различных температурах.
Рис. 2.8. Зависимость эффективной вязкости от температуры расплава ПОJlимера 'при
различных скоростях сдвиrа ("1.8 > У! > Уд.
40
изменяется с изменением CKO
рости сдвиrа. При больших ско-
ростях сдвиrа уrол наклона
данной зависимости умень-
шается (рис. 2.8). Это указывает на то, что энерrия активации
вязкоrо течения зависит от скорости сдвиrа.
Зависимость вязкости от температуры описывается уравнением
(2.24) или следующими экспоненциальными уравнениями:
1) == Ае Е / RT (2.26) 1) == Koe b (Т T о) (2.27)
rде А .:.... постоянная; R rззовая постоянная; Т абсолютная температура;
Ко коэффициент реолоrическоrо уравнения (2.21) при То; Е и Ь коэффи-
циенты, характеризующие степень влияния температуры на вязкость, иноrда Е
называют энерrией активации вязкоrо течения. . . .
\ Чем больше Е (энерrия активации), тем сильнее влияние TeM
пературы на вязкость. Для вычисления Е запишем уравнение
(2.26) в лоrарифмическом виде для двух значений температуры Т 1
И Т 2 ; вязкость расплава при данных температурах равна 111 и 112
при постоянной скорости сдвиrа (у == const):
In 1)1 == In А + Ev/RT 1; In t)2 == In А + E/vRT 2
Решая совместно эти уравнения, находим:
Е. == RT l Т 2 In (111/1)2) (2.28)
'v T2 Tl
Индекс при Е у означает, что значения вязкостей 111 и 112 были
найдены при постоянной скорости сдвиrа. Если они определяются
при 't == const, то энерrия активации обозначается Е".
Отношение рассмотренных значений энерrии активаци'и Е"I Еу
зависит от степени аномалии вязкости и равно:
Е,,/Еу == l/n (2.29)
Таким же методом можно составить уравнения для расчета
постоянной Ь в уравнении. (2.27). Найденные значения энерrии
актив'ации широко используются при расчете температуры пере
работки полимеров, при этом учитывается, что Е у и Ь являются
функциями скорости сдвиrа (рис. 2.9). Зная выбранное для
расчета значение скорости сдвиrа, можно определить Е у и Ь,
а затем рассчитать температуру.
f Вязкость расплавов существенно зависит от дав.ления. Как
уже было показано ранее (см. рис. 1.21), при увеличении давления
возрастает плотность расплава полимера, 'макромолекулы сбли
жаются и межмолекулярное взаимодействие растет. Рассматри
ваемая зависимость качеСТ6енно не меняется .до достижения не-
,
, 5
..
'1
, 2
Рис. 2.9. Зависимость знерrии активации
от скорости сдвиrа ДJlЯ раСПJlавов ПОJlиме-
"
ров:
1 полЙэтилен высокой плотности; 2
полиэтилен низкой плотности; 3 попи
винилхлорид плаСТИФИЦИРОВ8ННЫЙ; 4.....
полипропилен; 5 блочный полистирол.
о
200
600
800 .1000
у,с. 1
41
KOToporo критическоrо давления, выше KOToporo в расплаве поли
мера MorYT протекать процессы, аналоrичные Кристаллизации,
и вязкость резко возрастает. Значение критичеСкоrо давления
зависит от температуры расплава. Так, для расплава полиэтилена
при 150 ос критическое давление равно 60 МПа, а при 165 ос
около 120 МПа.
При переработке полимер ов расплавы, как правило, подвер
rаются сдвиrовому течению и сжатию одновременно, поэтому кри
тические давления «кри'сталлизации» MorYT уменьшаться вслед
ствие ориентации макромолекул под действием напряжения сдвиrа.
Подобные явления MorYT происходить, в частности, при литье под
давлением. В области давлений ниже критических для расчета
вязкости IIp с учетом сжатия расплава под действиеl\1 давления
можно использовать уравнение:
l1р == 110 е (3Р (2.30)
rде 110 вязкость при нулевом давлении; р давление, Па; постоянная,
для полиэтилена == 1,2. 1 0 8+ 1,4. 1 0--8 Па l, для полистирола === 3,2. 10--8 Па-- l .
Постоянная носит несколько условный характер, так как
зависит от температуры и скорости сдвиrа. Влияние давления на
вязкость для различных полимеров неодинаково. Особенно сильно
изменяется вязкость у разветвленных полимеров или у полиме
ров, имеющих rромоздкие боковые rруппы типа бензольноrо
кольца, как у полистирола. Например, при изменении давления
от 35 до 175 МПа вязкость полистирола при 196 ос увеличивается
в 135 раз, а у полиэтилена при 150 ос в 4 6 раз. Естественно
такое сильное изменение необходимо учитывать при течении pac
плавов полимеров в процессе их переработки.
В целом рассмотренные зависимости широко применяются
для р счетов технолоrических параметров. Так, зная скорость
сдвиrа при течении в соответствующих узлах arperaToB, по реоло-
rическому уравнению состояния можно рассчитать напря!Кенне
сдвиrа, а затем определить перепад давления. По значению энер
rии активации можно определить температуру или разность TeM
ператур при переходе от одной вязкости расплава к друrой.. Эти
же зависимости используются для расчета колебаний температуры
при ее реrулировании, исходя из заданноrо предела изменения
вязкости системы.
2.3. ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ УСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕЧЕНИЕ
АНОМАЛЬНО ВЯЗКИХ ЖИДКОСТЕЙ В .ЦИЛИНДРИЧЕСКОМ КАНАЛЕ
При переработке полимеров возникает необходимость расчета
напряжения и скорости сдвиrа по значению перепада давления
и расхода. Для приобретения навыков и освоения методики
в данном разделе для примера приведен наиболее распространен
ный вывод основных уравнений течения расплавов полимеров.
Рассмотрим течение расплава полимера под действием пере
пада давления вдоль оси канала с радиусом R и сравнительно
42
Рис. 2.1 о. Схема течения раСПЛааа а ЦJfJlиидрическом
канале.
ар
p dz
8z
большой длиной 1. Давление на входе
в канал равно р, а на выходе РО.
Так как течение установившееся, то
принимаем, что ap/az==const (рис. 2. 10),
Т. е. начальный входной участок канала
не ра сматривается. Перепады давле
ний по друrим координатам равны
нулю:
р
др др О
де ar
z
Соответственно скорости и напряжения сдвиrа также равны
нулю:
V r == и е == о; 't're == о; те, == О
(, Поскольку течение установившееся, то скорость вдоль оси z
и во времени не изменяется, Т. е.:
av z О . avz О
az , at
Для решения принимаем следующие допущения: 1) вязкость
расплава не изменяется во времени; 2) скольжение на стенках
канала отсутствует, т. е. при r == R V z == о; 3) нормальные напря
жения при течении остаются постоянными, т. е.
д ('<1 rr ) О . д<1ее a<1 zz О
д, , д8 -== о; az
4) rравитационные силы не учитываем, так как они HaMHoro
меньше сил, обусловленных напряжением сдвиrа, поэтому:
pgr == pge == pgz == О
5) инерционные силы равны нулю:
dv dv dv О
Р dr р d8 Р dZ
Рассмотрим произвольный элемент жидкости, расположенный
внутри илиндрической поверхности, и запишем для Hero ypaB
нение движения.
Проекция на направление ':
Р ( aVr + v r дV r + aV r +и дv r ) ==
at ar r д8 r Z az
=== др + ( д (r<J rr ) + Ut r8
д, , д, , д8
<1ее + a't rz ) + pgr (2.31)
r az
43
fiроекция на направление е:
( дие ди е и е ди е vrtJ e fJV e )
р at + и, ar + ,---- де + r + tJ z az ==
1 др ( 1 д ( r2T re) 1 д<1 ее дТ е2 )
== r де + 1=2 ar + r де + az + pge
Проекция на направление z:
( avz + и av z + ив av z + и av z ) ==
р at 7 ar r де z az
(2.32)
== др + ( д (r't"7Z) + a'l:ez + a<1zz ) +
az r ar r де az pgz
(2 .33)
Если проанализировать уравнения (2.31) и (2.32) с учетом
принятых условий и допущений, то видно, что все члены этих
уравне ий равны нулю, а из уравнения (2.33) можем записать
1 д (r't"7Z) др
r ar дZ
Посколь;ку ap/az == const, то последнее уравнение можно пре
образовать в обычное дифференциальное уравнение:
dp ,
d «('1: rz) == liZ rdr
Интеrрируя последнее выражение, находим:
dp r С 1
't'rz == 2' + r
(2.34 )
На стенках кан ла скорость равна нулю, а в центре при r == О
она максимальна. Следовательно, вследствие симметрии потока'
на .равных расстояниях от оси скорости также будут равны, по
dv
этому в центре канала отсутствует скорость сдвиrа d: == о и
't',z == о. Подставив в уравнение (2.34) r == О и 't'rz . о, находим
С 1 == о, тоrда:
dp r
1'72 == liZ 2'
Эпюра распределения напряжений показана на рис. .2.10.
Максимальное значение напряжения будет на стенке канала при
r == R.
Для установившеrося потока, коrда
dp ро Р p
dz == l ==
(2.35)
напряжение сдвиrа на стенке канала равно:
't w =: !1pR/2l
\,
(2.36)
44
Рис. . t 1. tечеНk цitJliltfдриii Сkоtо kaita.fia .. ыд ЛеНh Мм .1Iё.;
ментарным КОJlЬЦОМ ТОJlЩИНОЙ dr.
Знак минус указывает на то, Чfо наnряже-
lIия сдвиrа направлены в сторону, противо
положную направлению оси z.
Для нахождения скорости потока восполь-
зуемся реолоrическим уравнением (2.6), в
которое вместо вязкости подставим степен
oe уравнение (2.16). С учетом принятых условий и допущени
все члены уравнения (2.15), кроме avz/ar, равны нулю. Поэтому
в окончательном виде после riодстановки уравнений (2.15) и (2.16)
в уравнение (2.6) имеем:
Trz == К ( Z ) n ,
Подставив это значение 't rZ В уравнение (2.35), из HOBoro pa
венства находим:
.....
( 1 dp ) 1/n l/п
df)z == 2К dZ r dr
I1нтеrрируя это уравнение по " получаем:
( dp ) 1/n n (1+n)/n + С
f)z . 2К dz 1 + n r 2
Из условия прилипания расплава к стенкам канала следует,
что r . R, V Z == О, тоrда:
С == ( dp ) 1/n n (1+n)/n
2 2К dz 1 + n
Подставив вместо С 2 ero значение, получаем:
f)z == f)o [1 (r/R)(1+n)/nj
Здесь
(2.37)
I ( R d P ) 1/n n
f)o ==..... 2К dZ 1 + n R
Уравнение (2.37) при r == О приводится К выражению (2.38),
т. е. V z == Vo или V z равна максимальной скорости потока.
J{ля вывода уравнения объемноrо расхода расплава восполь
зуемся рис. 2.11. Взяв в сечении канала элементарное кольцо
с радиусом r и толщиной dr, находим ero площадь:
S == 2пrdr
(2.38)
Обычно расход расплава V раве'н произведению " площади
сечения канала S на скорость потока v z . Для полноrо сечения
канала имеем:
Jt
V с= 2п J rJzr dr
Q
45
Подставив вместо V z ero значение из (2.37), получаем:
R R
V == 211t10 J ' d, 211t10 R (l n)!n J ,(l+2n)!n d,
О О
После интеrрирования и преобразований получаем уравнение
расхода расплава:
1 +-- n
V == 1 + 3n rcvoR2 (2.39)
Для нахождения скорости сдвиrа продифференцируем ypaB
нение (2.37):
ди z V о 1 + n 1 / n
===:f:: R(l+n)/n п '
Заменив в этом выражении Vo значением, найденным из ypaB
нения (2.39) Vo == (1 + 3п) V/(1 + п) лR 2 ,. получаем:
av z 1 + 3п V 1/ n
== :f:: п rcR(l+3n)/п ' (2.40)
Скорость сдвиrа на стенке канала при r == R равна:
. 1 +3n V
'Уш === n nR3 (2.41)
Полученные уравнения для напряжения и скорости сдвиrа
потока широко применяются при расчете экструзионных rоловок,
литниковых каналов пресс"форм и в капиллярной вис кози метр ии.
Если в уравнение (2.41) подставить п == 1, то получаем CKO
рость сдвиrа для потока ньютоновской жидкости:
Ун == 4 V /rcR3 (2.42)
2.4. ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ УСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕЧЕНИЕ РАСПЛАВА
ПОЛИМЕРА МЕЖДУ ВРАЩАЮЩИМИСЯ ЦИЛИНДРАМИ
Рассмотрим движение расплава, вызванное вращением BHY
TpeHHero цилиндра BOKpyr своей оси с уrловой скоростью 00,
коrда перепад давления по оси z отсутствует. Для вывода ypaBHe
ний течения принимаем те же допущения, что были приняты при
решении задачи для течения в цилиндрическом канале.
Схема течения показана на рис. 2.12. Канал образуется BHY
тренним цилиндром с радиусом R 1 и внешним цилиндром с pa
диусом R 2 .
Из анализа уравнений движения (2.31), (2.32), (2.33) видно,
что, поскольку осевое течение отсутствует, члены уравнений,
содержа ие 't rZ , будут равны нулю, а действующим будет напря
жение 'tre, возникающее на концентрических поверхностях, пер
пендикулярных к радиусу '. Соответственно:
др == др === др == О
az де д,
46
Рис. 2. t 2. Схема теtlеllИЯ расплава
между вращающимися цилиндрами.
Проанализировав ypa
внения движения, как
было проделано в разде
ле 2.3, получаем:
d (,2'('Е» == о
d,
После ИIlтеrрирования этоrо выражения имеем:
Т,Е> == С 1/,2 (2.43)
Реолоrическое уравнение для данноrо случая течения с учетом
уравнений (2.7), (2.15) и (2.16) имеет вид
. "re К [r d (: /r) т
Подставив это выражение 't,e в уравнение (2.43) имеем:
, d (и е /,) == ( ) 1/n 1
d, К ,2/n
(2.44)
Разделив оба члена на r и проинтеrрировав, получаем:
. ( Cl ) 1/n п (n 2)/n + С
и е к т' з'
Заменив выражение новой постоянной
(с 1 /к)1/n п/2 -== С 2
имеем:
(2.45 )
(2.46)
(2.47)
ие -=:: С 2,(n 2) / n + С з'
Постоянные интеrрирования находим из условий:
, = Rl' и е == roR 1 ; , == R2' V e == О
Подставив эти значеtIИЯ в уравнение (2.47), имеем:
roR 1 == C2Rfn 2)/n + С з R 1 о == C2R n 2)/n + С з R 2
Решив совместно систему уравнений, находим:
С 2 == roRi/ n R /n /( R /n Ri/ n ); С з == roR /n /( R /n Ri/ n ) (2.48)
Подставив вместо С 2 и С З их значения в уравнение (2.47),
получаем уравнение для профиля скоростей:
roRf/n R /n ( (n 2)/n ' )
и а ==: , (2.49)
'-' R /n Ri/ n R /n .
Для определения скорости сдвиrа потока воспользуемся ypaB
HeH eM (2.44) и равенством у == r ( :8 ). Тоrда:
. -== ( ) 1/n
· v К ,2/ n
47
Подставив в это выражение значение
(2.46) и С 2 из (2.48), имеем:
..... 2roR 2 / n R2/ n
. 1 2
У == п (R /п R /n)
(С 1 /К)1/n из уравнения,
1
,2/п
(2.50)
Скорость сдвиrа на поверхности BHYTpeHHero цилиндра опре
деляем из уравнения (2.50) при r == R 1
VR 1 2roR /n/n (R /n Ri/ n )
а на поверхности внешнеrо цилиндра при r == R 2 :
VR 2 == 2roRi/ n /п (R /n Ri/ n ) (2.52)
Подобные решения можно получить также для друrих случаев
течения, принимая соответствующие rраничные условия.
Напряжение сдвиrа на поверхности цилиндра можно опреде
лить, используя равенства:
М нр
1: R1 == 2nRil
(2.51 )
М нр
1: R 2 == 2nR l
к R (?ro )n
[п (R /п Ri/n)Jn
KR (2ro)n
[n (R /n Ri/ n )Jn
(2.53)
(2.54)
rде М нр крутящий момент, возникающий при вращении цилиндра; 1
длина цилиндра.
Полученные уравнения используются ДЛЯ обработки данных
ротационной вискозиметрии, а также при расчете формующих
rоловок экструдеров.
2.5. ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ УСТАНОВИВШЕЕСЯ ТЕЧЕНИЕ РАСПЛАВА
ПОЛИМЕРА МЕЖДУ ПЛАСТИНАМИ
Рассмотрим движение в щелевом канале, образованном двумя
ПЛ,астинами шириной В и длиной 1, расстояние между которыми Н
(рис. 2.13). Течение осуществляется ВДОЛЬ оси z под действием пе
репада давления, при этом ap/az == const.
Так как rрадиенты давлений равны нулю, скорости, а COOT
ветственно и напряжения сдвиrа равны нулю: == : == о;
V x == V y == о; '( ху ==, 't xz == о.
Для решения принимаем допущения, приведенные в раз
деле 2.3. Уравнения ,движения прямоуrольных координатах
имеют следующий вид. .
Проекция на ось х:
( ди:х; av:x; + av:x: + av:x: )
р at + V x дх VJ/ ду V z az ==
др + дихх + д1:ух + a1:zx
дх дх a(l д? + rgx
(2.55)
4
Проекция на ось у:
( aVy + aVy + aVy + av y )
р at v дх ии 011 V z дz
== + дтху дауу + д"СZll +
ду дх + ду дz pgll
Проекция на ось z:
( avz + avz + avz ' + av z )
р at их дх y ду V z az
==-= др + a"Cxz + aTyz, + ao zz +
az дх ду az pgz
Проанализировав .уравнения движения с учетом принятых
условий и допущений, получаем исходное выражение:
aTyZ др
ду == дZ
(2.56)
(2.57)
Так как ap/az == const, после интеrрирования имеем:
dp
Tyz == dZ у + С 1
dv
Используя rраничные условия у == о, d; == о (rрадиент
скорости в центре канала равен нулю), имеем 1: yz == о; тоrда С 1 ==
== о. с учетом полученных зн ачений имеем:
dp
Tyz == dZ у (2.58)
Напряжение сдв»rа на стенке при у == н /2 и перепаде давлеНI1Я
в канале p == ро Р равно:
АрН
't w == 2l (2.59)
Реолоrическое степенное уравнение для движения между пла
стинами с учетом (2.4), (2.14) и (2.16) имеет вид:
( avz ) n
Tyz == К ---дУ
'Подставив
ero значение
находим:
вместо 1: yz
из (2.58),
у
av z ( dp 1 ) 1/n 1/n
у
ду dz К
Рис. 2.1 з. Схема течения расплава
между двумя неподВИЖНЬJМИ ",ла
TJtH M" .
dz
pt"*dZ Р
L
Ра
49
Проинтеrрировав это выражение, получаем
v == ( dp ) l!n n (1+n)!n + с
z dz К 1 +п У 2
.Постоянная интеrрирования находится при у == Н/2, V Z == о;
тоrда:
с == ( dp ) l!n п ( Н ) о+n)!n
2 dz К 1 +п 2
Подставив вместо С 2 ero значение, находим:
V z == ио [1 ( ) (1+n)/n] (2.60)
n Н ( Н dp ) l!fl
rде V o == 1 + n 2 2К dz ·
Для вывода уравнения расхода расплава выделим в сечении
элемент толщиной dy и шириной В.
Проинтеrрировав произведение скорости V z на площадь сече
ния Bdy в пределах от О до Н /2, находим объемный расход pac
пл ав а:
п+l
V == 2п + 1 ВНио
(2.61 )
Уравнение скорости сдвиrа получаем, продифференцировав
(2.60) и использовав (2.61):
dv z 2п + 1 V ( 2 ) (l+n)!n l!n
dY == + п ВН Н У
Скорость сдвиrа на поверхности пластины при у == Н/2 равна:
. 2 V (1 + 2п)
'Уш == пВН2
(2.62)
(2.63)
Полученные уравнения используются при расчете экструзион
ных щелевых rоловок. В несколько видоизмененном виде их
можно применить для расчета кольцевых формующих rоловок
(трубных и пленочных), коrда течение осуществляется в канале
между двумя цилиндрами с отношением радиусов R 1 / R 2 ;:::: 0,9.
Для этоrо кольцевой канал мысленно разрезаем и развертываем
в плоскую щель, тоrда rлубина канала Н == R 2 Rl' а ширина
В == 21tR cp == 1t (R 1 + R 2 ).
Используя уравнение (2.59) и (2.63), находим:
Тш == t!p (R Rд (2.64)
. 2n + 1 2У
'Уш == n n (R 2 Rl)2 (Rl + R 2 ) (2.65)
Следует заметить, что при решении более сложных задач
кроме paCCl\10TpeHHbIx уравнений используется также уравнение
неразрывности, вытекающее из закона сохранения материи и
50
выражающее постоянство массы в замкнутой систеМе. При записи
в прямоуrольных координатах уравнение имеет вид:
др д д д
----дt + дх (рих) + ду (ри у ) + --дZ (pt1 z ) == О
При наличии перепада температуры по длине канала или по
ero сечению задача решается с применением уравнения энерrии.
Подобные задачи ввиду сложности их решения не включены
в настоящее учебное пособие.
2.6. ИЗОТЕРМИЧЕСКОЕ ТЕЧЕНИЕ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА
В КАНАЛАХ ПРИ НАЛИЧИИ ВХОДОВЫХ' ПОТЕРЬ ДАВЛЕНИЯ
Рассмотрим движение расплава в цилиндрическом канале
сравни ельно небольшой длины с радиусом R. Расплав поступает
из канала большоrо сечения и течет под действием перепада дaB
ления, создаваемоrо по длине канала (рис. 2.14).
При переходе расплава из большоrо резервуара в канал
происходит сравнительно быстрое изменение скорости, которая
стабилизируется на некотором удалении от входа. Отдельные
авторы считают, что вначале профиль скорости имеет почти пря
моуrольную форму, однако эксперимеНТ?I, выполненные на про
зрачных каналах при течении с контрастным наполнителем,
этоrо не подтверждают. Формование профиля начинается перед
входом за счет образования коническоrо rидродинамическоrо KOH
фузора, как показано на 'рис. 2.14. Центральная струя имеет
наибольшую скорость, которая уменьшается по мере удаления от
оси канала и, если канал имеет прямоуrольный вход, то в уrлах
MorYT образоваться циркуляционные потоки (вихревые зоны).
Как уже было рассмотрено ранее, oд действием напряжений
сдвиrа в расплавах полимеров может про исходить разрушение
структуры и изменение конформации макромолекул, т. е. течение
сопровождается развитием упруrой деформации. Поскольку на
входе скорость изменяется по длине, т. е. имеется rрадиент CKO
рости (dvz/dz) =1= О, то упруrая деформация постоянно возрастает.
При увеличении скорости расплава полимера повышается степень
разрушения структуры и уменьшается число пространственных
узлов. Поскольку все эти процессы I
протекают не MrHoBeHHo, то завер I '- .
шаются они с некоторым отставанием A ;:;;f;*:
от темпа развития скорости. Следова . J
тельно, по мере течения расплава по . J :
длине канала изменяется напряжение I .!J!.. ) .
сдвиrа и меняется доля энерrии, затра- y.::. !& dz Icoп.st . ]
чиваемой на развитие упруrой дефор J ""....'1- .!!:! d d ::coп,st I
J Р ""' z I
I дж 1
Рис. 2.14. Изменение давления по длине канала при Д
неустановившемся течении расплава. l6x 1 J/
1 неустановИвшееся течение; 11 установившееся L
те4еННе. .
51
Маnии и разрушение ctpYktYP1i btX элементов cltc1'eMbI. На BXOД
затрата энерrии максимальна, а затем она постепенно уменьшается
и при переходе к установившемуся режиму энерrия расхо.
дуется лишь на развитие вязкоrо течения. Часть затраченной на
входе энерrии переходит в теплоту, а друrая часть в виде по-
тенциальной энерrии (накопленная упруrая деформация)' сохра.
няется в расплаве и реализуется на выходе из канала. Такое
неравномерное потребление энерrии вызывает непропорциональ-
ные потери давления по длине к нала.
Таким образом, в зависимости от режима течения канал можно
разбить на два участка. Первый участок входа, коrда
(dp/dz) =1= const, на котором потери давления зависят от трех
составляющих: 1) неустановившееся течение в сходящемся потоке
на входе в канал, 2) вязкие потери при перестройке профиля и из-
менении скорости потока, 3) развитие упруrих деформаций. . Вто-
рой участок с установившимся течением при (dp/dz) == const,
rде перепад давления обусловлен преимущественно вязкими по-
терями в расплаве. Если решение для неустановившеrося течения
выполняется с учетом входовых потерь и проявления упруrих
деформаций, то в реолоrическое уравнение необходимо ввести
дополнительные компоненты, описьiвающие вязкоупруrие свой-
ства. Кроме Toro; в уравнении движения (2.33), в отличие от
решения, paccMoTpeHHoro в разделе 2.3, необходимо учесть целый
ряд ДQполнительных членов (dvz/dz, dazz/dz и dp/dz == ер (z)) ,
что очень затрудняет решение.
Для инженерных расчетов целесообра нее использовать кос-
венный метод, для чеrо процесс течения рассматриваем как уста-
новившийся, а непропорциональное изменение давления заменяем
линейной функцией с введением поправочноrо входовоrо коэф-
фициента Рвх или lвх (см. рис. 2.14), т. е. общий перепад давления
заменяем суммой:
dp
Pl Ро == 1 + РВХ
(2.66)
rде ':J; rрадиент давления, == const; 1 длина канала; Рвх потери
давления на входе; Pl' РО давление на входе и выходе из канала.
Таким приемом мы как бы искусственно все дополнительные
затраты энерrии на входовом участке сосредотачиваем на входе
в канал и сводим решение задачи к установившемуся режиму
течения, коrда
'Z == (Р, РО PBx)/l
Далее решение проводим аналоrично рассмотренному в раз-
делах 2.3 и 2.5. Находим уравнение для расчета напряжения
сдвиrа.
Для цилиндричеекоrо канала:
't w == (Ар Рах) R/2l
. (2.67)
52
bC. 2.i5. gавиtkмос+ вхЬдо- пt
801'0 поправочноrо коэффициен
та для полиэтилена от скорости 15
Д8иrа при различных темпера
rypax.
)(
Для плоскощелевоrо 10
канала:
't w =='(!1р Рвх) н /21
f (2.68) 5
rде !1р == PZ Ро.
Для определения CKO
ростей сдвиrа Приrодны О
уравнения (2.41) и (2.63). ,
Приведение к. установившемуся течению можно выполнить
также вторым способом. Продолжим пропорциональную зависи
мость 'распределения давления влево от оси ординат до пересече
ния с линией давления, paBHoro Pz. При этом мы искусственно
удлиняем канал на величину lвх (см. рис. 2.14) и течение заменяем
установившимся. 'В этом случае напряжения сдвиrа будут paBHbI:
!1pR 6рН
't w == 2 (l + lBX) и 'rw == 2 (l + lBX)
15
I
ЗD
I
'15
· 1
y c
. .
Обычно для удобства расчетов вместо lвх используют входовый
поправочный коэффициент т:
т == lBXiR (2.70)
Поскольку входовые потери связаны с развитием дополнитель
ных вязкоупруrих деформаций и разрушением структуры, они
зависят от скорости САвиrа и температуры (рис. 2.15).
Для экспериментальноrо определения входовых потерь давле
ния или поправочноrо коэффициента обычно используют каналы
(сопла) различной длины, но одинаковоrо диаметра. Измеряют
последовательно зависимость давления от объемноrо расхода для
каналов различной длины и строят rрафик (рис. 2.16). Затем Ha
ходят давления на входе в канал при постоянных расходах для
каждой длины (rоризонтальные сечения). Определив PI, Р2 И Рз,
строят rрафическую зависимость давления от длины канала.
Если длина наиболее KopoTKoro канала больше, чем длина BXOДO
Boro участка с неустановившимся течением, то получаем линей
ную зависимость (рис. 2.17). Для слишком коротких каналов
линейной зависимости не получается, поэтому такой метод исполь
ЗQвать нельзя. Интерполируя полученную линейную зависимость
на ось ординат, находим значение входовых потерь давления Рвх
для различных расходов (скоростей сдвиrа).
Если проинтерполировать полученную зависимость до пере
сечения с осью абсцисс, то отсекаемые отрезки будут численно
равны поправочному коэффициенту т == lBx/R.
rрафическую зависимость, показанную на рис. 2.16, можно
использовать также для расчета напряжения сдвиrа третьим
способом. При постоянном объемном расходе скорость сдвиrа
53
. .
(2.69)
v
У"
V"
V z
ls
т
V ,
Р, Р2 Рз
р
Рис. 2.16. Зависимость объемноrо расхода от давления при различной длине канала
(lз > 11).
Рис. 2.17. Зависимость давления от длины канала, используемая для нахождения вхо-
довых потерь.
и входовые потери для каналов равных радиусов также будут
постоянными. Поэтому для каналов различной длины можем
записать:
". (Pl Рвх) R .
"1 === 211 '
(Р2 Рвх) R
'{2 == 212
Решая совместно эти уравнения и считая, что '{ 1 == '{ 2 при
V 1 == V 2 , находим:
(Р2 Pl) R
'С ш =-= 2 О2 11)
Таким образом, подставив значения давлений Р2 и Рl' найден
ные из rрафика рис. 2.16, мы можем найти изменение напряжения
сдвиrа от скорости сдвиrа для различных расходов.
Полученные уравнения применяются для обработки данных
капиллярной вискозиметрии, а также для нахождения перепада
давления (обратная задача) при течении расплавов полимеров
в формующих экструзионных rоловках или в каналах формы при
литье под давлением.
(2.71 )
2.7. НЕУСТОЙЧИВОЕ ТЕЧЕНИЕ РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ
(ЭЛАСТИЧЕСКАЯ ТУРБУЛЕНТНОСТЬ)
При высоких скоростях выдавливания из формующих каналов
экструзионных rоловок на поверхности экструдата (струи) по
является шероховатость или разрывы. Это явление неустойчи
Boro течения называется эластической турбулентностью, однако
в данном случае она не имеет ничеrо общеrо с турбулентностью,
возникающей при течении ньютоновских жидкостей.
Начало неустойчивоrо течения можно зафиксировать ви
зуально. Вначале появляется матовость (мелкая шероховатость),
затем, по мере увеличения скорости, экструдат становится винто
образным или возникают дефекты поверхности типа «апельсино
вая кожура», затем периодические дефекты «поверхность бам
бука» и, наконец, на поверхности появляются разрывы или pac
54
плав распадается на отдельные части. Начало неустойчивоrо
движения соответствует достижению определенных значений CH:O
рости и напряжения сдвиrа, называемых критическими "ир и 't ир .
Наступление неустойчивоrо течения в основном обусловлено
пристенным скольжением расплава на стенке канала. При низких
\
скоростях сдвиrа напрящения сдвиrа, возникающие на стенках
канала, меньше сил адrезии расплава, и дефектов не наблюдается.
По мере увеличения скорости потока напряжения сдвиrа воз
растают и появляется местное проскальзывание расплава по по
верхности. При этом напряжения сдвиrа резко падают за счет
перехода параболическоrо профиля скорости к прямоуrольному.
Затем вновь происходит сцепление расплава с поверхностью и
переход на установившееся течение, а ПОТО1\1 наступает новый
срыв. Такое периодическое пульсирующее течение вызывает коле
бание высокоэластических деформаций, которые нарушают rлад
кость струи и обусловливаЮl появление дефектов типа «поверх
ность бамбука». Если срыв происходит не по всей поверхности
одновременно, возникает закручивание струи и образование вин..
тообразной поверхности. При очень больших напряжениях сдвиrа
отрыв расплава вызывает большие высокоэластические деформации
и в поверхностных слоях возникают разрывы. Таким образом,
неустойчивое течение связано не вообще со скольжением, а с пе..
риодическим процессом скольжение прилипание (stick slip).
Поскольку неустойчивое течение приводит к уменьшению и
'повышению напряжений сдвиrа, возникает связь поверхностных
дефектов с высокоэластическими свойствами расплавов полимеров.
Периодическое проскальзывание обусловливает неравномерное
развитие упруrой высокоэластической деформации, которая, pe
лаксируя на выходе из канала, вызывает неоднородное изменение
размеров экструдата (струи). В с'вязи С этим появляются периоди
ческие кольцевые утолщения,. а при срыве струи по винтовой линии
происходит закручивание струи.
Обработка мноrочисленных экспериментальных данных пока
зала, что неустойчивое течение наступает при достижении опреде
ленных напряжений сдвиrа 't ир или при развитии критическоrо
значения высокоэластической упруrой деформации Ву.
На критическое значение напряжения сдвиrа оказывает влия
ние длина канала. Чем короче канал, тем при меньших скоростях
наступает неустойчивое течение. Это объясняется тем, что при\
больших напряжениях сдвиrа, возникающих во входовой части
кан :lла, они при малой длине канала не успевают полностью от-
реЛ;.iксировать, и течение происходит при неустановившемся
ре)l< Име, т. е. большие напряжения сохраняются до выхода из
канала и не стабилизируют потока.
Склонность потока к появлению неустойчивоrо течения воз
растает в случае применения каналов с плоским входом. При рез
ком переходе от одноrо сечения канала к друrому во в одовой
части появляются значительные эластические деформации и rлад
кость поверхности экструдата нарушается при более низких
55
скоростях, чем при плавном переходе (применение конфузора).
Исследования потока полиэтилена низкой плотности методом
двойноrо лучепреломления; показывают, что максимальные HOp
мальные напряжения образуются в тонком слое в резервуаре
перед вхо.дом в канал и возрастают с увеличением расхода. Как
уже было показано в разделе 2.6, перед плоским входом возникают
,вихри, вызывающие циркуляционное течение в уrловой зоне. При
достижении критической скорости в области вихрей появляются
сильные пульсации и в резервуар периодически попадает расплав
из циркуляционной зоны (вихрей). Поскольку расплав в оБJ,1:асти
вихрей имеет меньшую накопленную эластическую деформацию,
то это неизбежно приводит к колебанию размеров экструдата на
выходе из канала. Таким образом, при неправильно сконструиро
ванных каналах неустойчивое ,течение может быть обусловлено
как проскальзыванием, так и пульсацией расплава в вихревых
зонах. Повысить rлянец поверхности, уменьшить шероховатость
можно за счет повышения .температуры.
При высоких температурах напряжения сдвиrа уменьшаются,
вязкоупруrие свойства проявляются значительно слабее и в pe
зультате увеличения rибкости макромолекул быстрее проис
ходят релаксационные процессы, т. е. уменьшается длина входовой
части канала. Поэтому при более высоких температурах можно
получать качественные изделия при сравнительно высоких CKO
ростях течения расплава.
Важность описанных эффектов для технолоrии производства
изделий из полимерных материалов обусловлена тем, что появле
ние поверхностных дефектов существенно оrраничивает произ
водительность экструзионных arperaToB при изrотовлении труб,
пленок, листов, оболочек кабелей, профилей и волокна.
2.8. вязкоупруrИЕ СВОЙСТВА И РЕЛАКСАЦИОННЫЕ
ПРОЦЕССЫ В ПОЛИМЕРАХ
Как уже было рассмотрено ранее, при сдвиrовом течении рас..
плавов полимеров происходит изменение конформации макромоле
кул и переход их в неравновесное состояние. С термодинамиче
CKO точки зрения процесс развития больших упруrих деформаций
в расплавах полимеров НОСИТ'необратимый характер, поскольку
всеrда сопровождается необратимой диссипацией энерrии вслед
ствие вязкоrо" течения. Аналоrичная картина наблюдается- при
растяжении полимеров или при продольном течении. ' 1j
Развитие высокоэластической деформации в полимерах про
исходит во времени и зависит как от условий деформирования
(напряжения, скорости деформации и температуры), так и от CTpoe
ния полимеров. Выход на равновесную деформацию после при
ложения внешней силы сбы но характеризуют временем запазды
вания, которое оценивается отношением вязкости к модулю упру
rости. Изменение напряжения при постоянной деформации назы
вают процессом релаксации, 'параметром этоrо"процесса является
вреl\-1Я релаксации,
56
13 полимерах релаксационные l1роцессы состоят из стадий
быстрой и медленной релаксации, которым соответствуют разные
участки релаксационноrо спектра. Коrда полимерная макромоле
кула цод воздействием температуры или внешней среды начинает
изменять конформацию, разным. элементам структуры (релакса
торам) соответствуют разные времена релаксации. Так, для пово
рота боковой rруппы BOKpyr связи, соединяющей ее с rлавной
цепью, требуется некоторое минимальное время t; для поворота
одноrо звена относительно друrоrо ......... время t z ; для соrласованноrо
поворота двух звеньев большее время t з ; для изменения ориен
тации cerMeHTa время t s ; для изменения конформации макро
. молекулы еще большее время t N . Т аким обр азом, свойства
системы оценивают набором времен релаксации отдельных эле
ментов и представляют в виде функции распределения этих pe
лаксаторов по временам' жизни......... релаксационноrо спектра.
Конформационные превращения основа развития BЫCOKO
эластических деформаций. Однако деформация в значительной
степени зависит также. от плотности флуктуационной сетки,
которая в свою очередь определяется скоростью деформации.
С изменением плотности флуктуационной.сетки меняется эффек
тивная длина участков цепей между соседними микроблоками или
зацеплениями. При сдвиrовом течении вследствие различия CKO
ростей перемещения отдельных слоев жидкости внешнее усилие
виде напряжения сдвиrа передается через проходные участки
макромолекул, в результате чеrо они начинают ориентироваться.
Под действием этих же сил путем последовательноrо движения
звенья цепи выходят из микроблоков, т. е. узлы флуктуационной
сетки разрушаются и увеличивается средняя длина проходных
участков, которые являются основным источником накопления
м новенной упруrой и высокоэластической деформации. Разру
шение узлов флуктуационной сетки измеряется числом элемен
тарных. переходов звеньев из одноrо положения в друrое, следо
вательно, этот процесс протекает во времени. Поэтому чем больше
плотность флуктуационной сетки в начале ,развития деформации,
тем больше время запаздывания; и наоборот: при переходе от
ориентированноrо состояния к равновесному время релаксации
меняется в зависимости от степени ориентации цепи и способ
ности макромолекул к образованию новых узлов флуктуационной
сетки. Поскольку все конформационные переходы макромолекул
взаимосвязаны, qни зависят от межмолекулярноrо взаимодей
ствия и rибкости цепи, а следовательно, в значительной степени
определяются температурой. С изменением температуры весь
релаксационный спектр 'смещается и деформируется.
Зависимость времени релаксации иНдивидуальных релакса
торов от температуры можно описать уравнением Больцмана:
ti' == р, ехр (Et/kT) (2.72)
rде Е энерrия активации релаксационноrо процесса; k постоянная Боль
цмана; Т абсолютная температура.
57
*
Рис. 2. i в. Механические моде и вязко.
упруrих жидкостей:
а МОДель Максвелла; б модель Фойх-
та Кельвина; 8 обобщенная модель; 1,
4 п,ужины; 2, 3 демпферы.
t1
6
ДЛ1l анализа протекающих
и полимерах релаксационных
процессов ввиду их сложности
используют механические MO
дели" составленные--из пр ужин и демпферов. Пружина моделирует
мrновенную упруrую деформацию, а демпфер (поршень, переме
щающийся в жидкости) вязкое течение. <
Наиболее простой является модель Максвелла, состоящая
из последовательно соединенноrо демпфера и пружины
(рис. 2.18, а). При приложении постоянной наrрузки модель
Максвелла деформируется. Общая деформация модели равна
сумме деформаций упруrоrо е у и вязкоrо ев элементов:
8 == 8'1 + 8в
J
(2.73)
Упруrая деформация из закона rYKa равна:
8'1 == т:/а
(2.74)
rде т: напряжение сдвиrа; G модуль сдвиrа.
Подставив (2.74) в (2.73) и переписав в дифференциальной
форме, находим
== dT + d8B
dt G dt dt
(2.75)
J{ля случая простоrо одноосноrо сдвиrа скорость сдвиrа вяз
Koro течения равна:
d8B .....
dt 1)
Подставив полученное ыражение в (2.75), после преобразова-
ний получаем:
d8 "dT
t) dt == т: + G dt ,(2.76)
Здесь f1/G === 'л называется временем релаксации напряжения.
Физический смысл этой величины заключается в том, что по
истечении времени t == л, первоначальное напряжение YMeHЬ
шается в е раз (е основание натуральноrо лоrарифма). Это BЫ
текает из следующеrо условия. Если зафиксировать свободный
конец втянутой или сжатой модели Максвелла, то общая деформа
ция останется постоянной (е == const), а под действием растянутой
пружины будет деформироваться только вязкий элемент, вслед
ствие чеrо будет происходить уменьшение (релаксация) обrцеrо
напряжения в системе. При de/dt == О из (2.76) имеем: .
t) dT
dt == G Т (2.77)
58
Проинтеrрировав это выражение, находим:
t == (111п 't)/G + С1.
ДЛЯ нахождения С 1 принимаем, что при t == О напря жен ие
равно исходному значению 1: === 1:0. Тоrда:
't == 'toe Gt/Y) (2.78)
Действительно, если через промежуток времен И, равный t ==
=== 1'}/0, подсчитать напряжение, то первоначальное ero значение
уменьшается в е раз, так как Ot/1'} == 1.
Недостатком модели Максвелла является то, что она не учи
тывает развития высокоэластической деформации в момент при
ложения или снятия внешней наrрузки.
Для описания развития высокоэластической деформации при
м:еняется модель Фойхта Кельвина (см. рис. 2.18, б). При на..
rружении происходит одновременное деформирование вязкоrо
и упруrоrо элементов. При этом деформация пружины задержи
вается во времени демпфером. Прекращается деформирование,
коrда внешняя наrрузка уравновешивается' усилием пружины.
При этом dB/dt == о.
При параллельном соединении элементов общее напряжение
сдвиrа равно:
Заменив
't == Ту + 'tB
de
напряжения 1:у == ОВ у , а 1: п == 11 dt '
de
't == аву + 1) dt
(2.79)
получаем:
(2.80)
Введем подстановку 1:/0 в == у, тоrда при условии постоян
ства наrрузки (1: == const) производная будет равна de == dy.
Подставив новые переменные в (2.80), получаем:
. dy О
== ..... dt (2.81)
У fI
После интеrРИРОВ8НИЯ:
In у == ..... Ot/1) + С 2
Подставляя вместо у ero значение и считая, что в момент при-
ложения наrрузки (t == О) е == о, получаем:
е == 't (1 ..... e Й! / тt)/O (2.82)
\
Если t --+ 00, то e..... Gt / тt --+ о. Поэтому конечная деформация
будет обусловлена жесткостью (упруrостью) пружины и равна
е == 1:/0.
Недостатком модели Фойхта Кельвина является то, что она
не описывает мrновенной упруrой деформации и вязкоrо течения.
Этоrо недостатка можно избежать, если воспользоваться обоб
щенной моделью (см. рис. 2.18, в). При наrружении такой модели
деформирование происходит за счет MrHoBeHHoro растяжения пру-
жины J С одновременнь!м ВЯЗКИМ течеНIiем в. демпфере 2. В резуль
59
t
'о
t.u
.............. ............... ...............
oooo Q
....&-.. . - ---- ..-
- -
. .
- ------ --- - ............ - ............
1
Время
Рис. 2.19. Зависимость развития деформации во времени для модеJlИ АJlфрея fapHII:
1 наrружение; 1 1 восстановление деформации после снятия наrрузки.
Рис. 2.20. Модель Карrина и СJlонимскоrо.
тате переl\fещения поршня демпфера 3 начинает' развиваться вы..
сокоэластическая деформация, которая прекращается через не..
которое время при достижении равновесия в пр ужине 4. Дальней..
шее деформирование м:одели осуществляется только за счет пере..
мещения демпфера 2 (рис. 2.19), т. е. происходит вязкое течение.
Таким образом, если наrрузка не меняется во времени, то
деформация будет равна накопленной упруrой деформации пру..
жины модели Максвелла, высокоэластической деформации модели
Фойхта Кельвина и нарастающей во времени деформации вяз..
Koro элемента модели Максвелла. Отсюда следует, что изменение
упруrих деформаций происходит в момент прило {ения или из..
менения внешней силы.
После снятия наrрузки MrHoBeHHo восстанавливается дефор-
мация упруrоrо элемента 1, а затем происходит восстановление
запаздывающей высокоэластической деформации (элементы 3 и 4),
Т. е. идет процесс релаксации. Если перейти к рассмотрению
полимеров, то время релаксации связано у них с переходом
макромолекул в новую равновесную конформаЦИIО и зави;сит
от ряда факторов, прежде Bcero от rибкости цепи и межмолеку"
лярноrо взаимодействия. Особенно сильно это проявляется при
сдвиrовом течении, коrда создается неравномерная степень ориен-
тации по слоям сдвиrа.
Из предыдущих разделов известно, что скорость сдвиrа, как
правило, меняется по rлубине канала, поэтому напряжения
сдвиrа будут также различными. При релаксации такой Heo -
нородной системы конформационные переходы макромолекул за..
держиваются соседними и количественно зависят от плотности
узлов флуктуационной сетки. При пространственной флуктуации
отдельных напряженных (ориентированных) участков макромо..
лекул в них создаются напряжения, под действием которых про..
исходит перемещение звеньев и узлов флуктуационной се!ки, т. е.
процесс релаксационных переходов удлиняется во времени с ро"
стом плотности флуктуационной сетки.
Рассмотренная обобщенная модель не учитывает межмолеку"
лярноrо взаимодействия и rибкости макромолекул. Поэтому для
описания поведения полимерных систем пр и меняют модель, пред.,
ложенную В. 'А. Карrиным и r. л. Слонимским (рис. 2.20). Модель
состоит из последователъцо оедин ннь.х обобщенн ы 1x моделей,
6О
поrруженных в вязкую жидкость, которая имитирует межмолеку
лярное взаимодействие.
Релаксационные явления имеют большое практическое зна
чение при переработке полимеров. Так, в зависимости от условий
течения расплавов полимеров формуются изделия, обладающие
v
анизотропиеи, которая может изменяться во времени или при
наrревании. Проис одящие при этом процессы можно понять и
объяснить, только используя теорию релаксационных явлений.
Для быстроrо развития ориентации волокон и пленок желательно
снижать время релаксации, то же самое необходимо осуществлять
при формовании изделий экструзией и литьем под давлением, если
необходимо снизить анизотропию их механической прочности,
усадки и друrих характеристик. И наоборот, коrда нужна BЫCO
кая анизотропия, время релаксации должно быть большим, что
достиrается понижением температуры расплава и увеличением
вязкости или быстрым охлаждением изделий.
Следует отметить, что помимо рассмотренных механических
релаксационных явлений в полимерах MorYT протекать электри
ческие и маrнитные релаксационные процессы, которые следует
учитывать при переработке полимеров или эксплуатации изделий.
На liил основано также исследование свойств полимеров физиче
скими методами.
2.9. ФФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ТЕЧЕНИИ РАСПЛАВОВ
ПОЛИМЕРОВ
Наличие конформационных переходов при rечении, а также
развитие упруrой деформации обусловливают проявление спе
цифических эффектов, характерных для течения расплавов и
растворов полимеров, таких, как нормальные напряжения при
сдвиrовом течении; эффект Барруса, эффект Вайссенберrа.
Развитие нормальных напряжений. При течении под воздей-
ствием напряжений сдвиrа макромолекула подверrается силовому
воздействию. Поскольку одна часть макромолекулы задержи-
вается межмолекулярным взаимодействием, а друrая ее часть
увлекается в движение, то происходит ориентация; в то же время
тепловая флуктуация выIьlваетT ч стичную дезориентацию, по-
этому в зависимости от скорости сдвиrа и температуры устанавли-
вается динамическое равновесие. Однако в целом ориентиро-
ванное состояние является неравновесным, поэтому вдоль основ-
, u
нои ц пи возникает усилие, обусловливающее появление нор-
мальных напряжений. Значение этих напряжений пропорцио-
нально на.пряжению сдвиrа и накопленной упруrой деформации.
Обычно подобные зависимости записывают относительно раз-
ности нормальных напряжений. Так, в случае oceBoro течения
в цилиндрическом канале первую разность нормальных напря-
жений можно вычислить по формуле Вайссенберrа Муни
Ривлина: I I
(J zz ...... (Jrr == 't rz 8J
(2.83)
61
f1
о
Рис. 2.21. Изменение размеров раСПJlава
после выхода из каНала:
а круrлый профиль; б трубчатая
заrотовка.
Пр очень малых упруrих
деформациях применяют фор
мулу Лоджа:
(JZ2. (]rr == 2't'rz E y
(2.84)
Соответственно подобные уравнения применяют для течения
в плоскощелевых прямоуrольных каналах.
Относительно второй разности нормальных напряжений cy
ществуют различные мнения. Некоторые авторы считают, что
a rr аее о. Однако указывается также, что эта разность
значима, но имеет отрицательную величину.
Упруrая деформация, возникающая при сдвиrовом течении,
зависит от напряжения сдвиrа и описывается уравнением:
Ву === 't'rz/ G (v)
(2.85)
rде а(у) модуль упруrости, который является функцией rрадиента скорости
или напряжения сдвиrа.
Эффект Барруса. После выхода расплава из формующих
каналов под действием нормальных напряжений возникает эла
стическое восстановление струи, так называемый эффект Барруса.
Эластическое восстановление это изменение сечения экстру
дата. Так, при течении в цилиндрическом канале на выходе Ha
блюдается увеличение диаметра, а при истечении из ',кольцевых
каналов изменяется как диаметр, так и толщина стенки трубча
Toro экструдата (рис. 2.21). Обычно в качестве показателя эла
стическоrо восстановления используют коэффициент К э :
Ка == Rc ==!iL ( ...e.L ) 1/3 (2.86)
RR RR РР
rде Rc ...... радиус струи расплава; R э радиус экструдата после охлаждения;
R и радиус канала; Рр....... плотность расплава; Ро плотность полимера при
20 ос.
Изменение линейных размеров экструдата (уменьшение длины
и увеличение сечения) связано с протеканием релаксационных
процессов. Упруrая деформация, накопленная в расплаве 'при
течении в канале, восстанавливается после снятия внешней силы,
т. е. при выходе из канала макромолекулы переходят в paBHOBec
ное состояние. Однако этот процесс происходит при свободном
выходе. Если же расплав отводится с помощью тянущеrо прием
Horo устройства, то он на выходе подверrается действию растяrи
вающих напряжений от принудительной вытяжки, и если эти
напряжения' больше нормальных, обусловленных напряжениями
сдвиrа, то сечение KCTpyдaTa уменьшается и процесс экструзии
62
Рис. 2.22. Зависимость коэффи- J(
циента ЗJlастическоrо восстановле- Э
ния от скорости сдвиrа для полиэти 2,0
лена низкой плотности при разлиq
ных температурах. 1. '7
,'"
осуществляется с вытяж- 1,5
кой расплава. В дальней- '1.25
шем мы будем рассматри , ' .o
вать процесс со свободным
выходом расплава. -
Поскольку ориентация макромолекул количественно связана
с напряжением сд иrа, то коэффициент эластическоrо восстановле-
ния зависит от скорости сдвиrа, температуры и длины канала.
При увеличении скорости сдвиrа происходит нелинейный рост
коэффициента эластическоrо восстановления (рис. 2.22). при низ
ких температурах высокая степень ориентации достиrается при
малых значениях скорости сдвиrа, а при повышении температуры
зависимость эта становится более плавной, так как возрастает
процес дезориентации макромолекул под действием тепловой
флуктуации. Следует заметить, что при достижении HeKoToporo
значения скорости сдвиrа темп роста коэффициента эластическоrо
восстановления К Э замедляется, а в некоторых случаях даже
уменьшается значение К э . Это явление связано с появлением
эластической турбулентности или проскальзыванием расплава
по поверхности канала.
При увеличении длины канала К э снижается, что объясняется
входовыми потерями давления. Поскольку на входе в канал раз-
виваются большие напряжения сдвиrа, то при течении в KOpOT
ких каналах они не успевают снизиться к выходу и расплав
вытекает с большой степенью ориентации, а коэффициент эласти.
ческоrо восстановления больше, чем в длинных каналах. При YBe
личении длины каналов напряжения постепенно снижаются и на
некотором расстоянии от входа в канал при переходе к установив-
шемуся режиму течения становятся минимальными. Поэтому
высокая степень ориентации, достиrнутая на входе, постепенно
к выходу из канала уменьшается, что сказывается на значении
коэффициента «разбухания» струи (рис. 2.23).
Используя аналоrичный анализ, можно предсказать измене.
ние К э с изменением друrих факторов, влияющих на реолоrиче
ские характеристики. Основным
критерием оценки эластическоrо
восстановления должны служить
напряжение сдвиrа и время
релаксации. Так, применение
коническоrо участка на' входе
в канал позволяет значительно
снизить К э , однако увеличение
190 tJC
5
10
15
20
Нз
2,2
I
I
1,9 t
1,6 't !OC 1 100 c 1
1.3 ' ==-!1
, 1с" 1
1, О О 40 80 120 160 200
Относительная алина канала,l/d к
о
Рис. 2.23. Зависимость изменения I ОЭффИ
циента зластическоrо восстановлении струи ОТ
длины канала при различных СКОрСС1ЯХ сдвиrа.
63
kоэффициента будет наблюдаться до более nЫсОкИХ скоростей
СДВиrа, поскольку напряжения сдвиrа на входе уменьшаются и
неустойчивое течение, т. е. срыв струи, сдвиrается в область
больших скоростей сдвиrа.
Для количественноrо описания процесса эластическоrо BOC
становления струи принимаем следующие условия: 1) на выходе
расплава 'из канала сохраняется изотермичность потока; 2) rpa
витационные силы, действующие на расплав, незначительны
(масса выдавленноrо полимера мала); 3) жидкость не сжимаемая;
4) течение в канале установившееся; 5) время восстановления
велико и достаточно для осуществления процесса релаксации
напряжений на выходе из канала.
Если на расплав действует нормальное напряжение .O'zz, то
вся накопленная упруrая и высокоэластическая деформация
струи будет равна: .
e z == C1 zz /E (2.87)
I
rде Е модуль упруr ости при сжатии; C1 zz ........ среднее значение нормальных
напряжений.
Однако накопленная упруrая деформация восстанавливается
u
не полностью, поскольку часть нормальных напряжении ypaBHO
вешивается rидростатическим дав ением, которое создается внутри
струи на выходе после 'эластическоrо восстановления струи.
При сдвиrовом течении в каналаХ.. ,возникают напряжения
сдвиrа, которые являются функцией радиуса или rлубины канала
(см. разделы 2.3 и ,2.5). :Возникающая под действием напряжения
сдвиrа ориентация макромолекул также изменяется по rлубине
канала. При этом в центре она минимальна, а на поверхности
канала имеет максимальное значение. При эластическом BOCCTa
новлении растянутые внешние слои сжимают расплав и внутри
струи возникает избыточное давление, под действием KOToporo
внешние слои расплава растяrиваются в танrенциальном направ
лении. Таким образом, внешние слои экструдата можно paCCMa
f
тривать как упруrую цилиндрическую оболочку, находящуюся
под давлением. Из теории прочности цилиндрических оболочек
следует, что равновесие деформации наступает, коrда
2C1 zz == Оее
(2.88)
Таким образом, упруrая осевая 'деформация будет nроисхо
дить до момента установления равновесия осевых и танrенциаль
ных напряжений и количественно будет равна:
./
8 == (11 ........ '2)/'2 == '1/'2 ........ 1
(2.89)
rде 11 и 12 Длина экструдата до и после эластическоrо восстановления.
С учетом этоrо остаточная осевая деформация после BOCCTa
новления струи будет равна:
" ,
e z == e z ........ !z
(2.90)
64
Деформация в танrенциальном направлении зависит от ко-
эффициента Пуассона и осевой деформации эластическоrо вос-
становления струи:
,
8е == 8z (2.91)
Переходя от деформации к напряжениям сдвиrа, с учетом
равенства (2.88) из уравнений (2.90) и (2.91) имеем:
2 [<1zz Е (11/12 1)] == Il E (11/12 1) (2.92)
Это равенство означает, что остаточное осевое напряжение
уравновешивается нормальным напряжением, возникающим в TaH
rенциальном направлении при восстановлении струи. Поскольку
при эластическом восстановлении масса не изменяется, можем
записать:
ppnR 11 :=:: pp1tR l2
Тоrда при равенстве плотностей изменение линейньiх размеров
будет равно: .
11/12 === (Rc/RK)2 K
(2.93)
Поскольку на внешние слои расплава на выходе действует
только. атмосферное давление, можно принять, что 'атт О,
тоrда, используя уравнение (2.83) и (2.85), а также заменяя' cpeд
нее напряжение сдвиrа ero значением на поверхности канала,
имеем:
4 т;"
<1zz ===
9 G(i')
ИЗ равенства (2.92) с уче том (2.93) и (2.94 ) получаем:
К з . V 9a(y); ; + ,...) + 1 (2.95)
Данное уравнение получено для канала сравнительно большой
длины. Поэтому при переходе к коротким каналам необходимо
учесть напряжения, возникающие на входе в канал, и их частич
ную релаксацию. Используя уравнение, полученное для модели
Максвелла (2.78), можем определить напряжения сдвиrа при те-
чении в коротких каналах:
1:1 1, 5т ш ех р [лR G(v) (Iy - l p )/1 1 (V) V] (2.96)
(2.94)
rде Iy длина канала, в котором развивается установившееся течение; lp
длина рассчитываемоrо канала; V объемный расход расплава; '{ш напря
жение, соответствующее установившемуся течению.
С учетом экспериментальных данных (см. рис. 2.23) можно
с некоторым приближениеl\f принять lу 200R. .Подставляя '1:z
в уравнение (2.95), можно рассчитать коэффициент эластическоrо
восстановления для канала любой длины.
Используя уравнения (2.83) и (2.92), а также равенство
G zz йтт == aE (rде Ву упруrая деформация), можно полу-
3 БОрТННКQ8 В. r. 65
К,
1,8.
1,6
1,
1,2
"1,00
Рис. 2.24. Зависимость коэффициента ЗJlастиqеско-
1'0 восстаНОВJlения от ОТНОшения диаметров КОJlьцево
1'0 KaHaJla: .
1 полипропилен; 2 ПОЛИэтилен НИЗКОЙ плотно
сти; 3 полиэтилеК высокой плотности.
. u
чить уравнение для расчета' пер вон
разности нормальных напряжений:
0,2 О, '1 0,6 0,8 d,/d H
022 0rr == "'l V 5 / 3 (К; 1)
(2.97)
Таким образом, полученное решение учитывает восстановле-
ние упруrой деформации струи расплава, имеющей неоднородную
степень. ориентации макромолекул полимера по сечению.
Друrие авторы, в частности Мендельсон, Фиrнер и Бэrли,
неоднородную степень ориентации учитывают только усреднеНl1ем
напряжений, что справедливо для упруrих тел, а не для расплCi-
вов полимеров..'
При течении расплавов' полимеров в кольцевых каналах
закономерности изменения' коэффициента восстановления струи
в зависимости от длины канала, температуры и скорости сдвиrа
сохраняются, однако однрвременно с увеличением наружноrо
диаметра увеличивается и толщина сТеНки. При .ЭТОl\-1 на знаЧ,ение
эластическоrо восстановления влияет соот ошение BHYTpeHHero
и наружноrо радиусов канала: чем меньше RrJ RlI' тем больше раз-
бухание. При бл.изких значениях R B и R п наружный размер
заrотовки увеличивается, а внутренний уменьшается, т. е., КОН-
формационные переходы происходят одновременно 'за счеr: уве-
личения диаметра и толщины тенки. В том.. случае, коrда диаметр
дорна мал, происходит увеличение заrотовки по наружному диа-
метру (рис. 2.24). Такое непропорциональное измене}Iие размеров
объясняется тем, что деформация и нормальное напряжение для
цилиндрических оболочек пропорциональны радиусам.
Зависимость коэффициентов эластическоrо восстанов ения
струи при выходе расплава из кольцевоrо канала может быть
выражена следующим образом:
КRсрК б == T /2G(V)E (2 + J!) . 1 (2.98)
rде KR cp ' 1(6 коэффициенты восстановления струи по среднему радиусу 1{
толщине стенки зкструдата.
В значительной степени изменяется картина проявления эла-
стическоrо восстановления струи 'при наложении на осевые на-
пряжения сдв rа танrенциальных. Эrоrо мощно достиrнуть,
например, при вращении одноrо из цилиндров кольцевоrо ка-
нала. В данном случае, если танrенциальные напряжения малы,
то изменение размеров экстру дата происходит, как и при одноос-
. ном течении, Т. е. наБJпрдается увеличение диаметра. При боль-
ших значениях <1ее, коrда достиrается определенное отноше
иие <1zz/(18e, расплав на выходе уменьшается в диаметре
(рис. 2.25, а).
66
Под действием KpyroBoro течения макромолекулы ПОJlимера
QPиентирУЮТСЯ и располаrаются в кольцевых слоях сдвиrа, что
показано в виде модели на рис. 2.25, 6. Так как векторы нормаль
ных с л 0'8е расположены под некоторым уrлом (по l:\yre окруж
ности), во никает составляющая силы, стяrивающа,Я расплав
к оси' вращения, т. е. заrотовка стремится уменьшить я в диа-
eTpe. Однако под действием нормальных напряжении O'zz по-
является противодействие. Поэтому в зависимости от T X Ha
пряжений происходит сужение.. или расширение струи.
Зависимость между коэффициентами эластическоrо BOCCTa
новлениЯ струи и ормальными напряжения и имеет вид:
к к 2 0 zz Ове (1, t- 2f1») 1
Rcp б Е (2 + ,...)
И.Л П 7 переходя от нормаЛhНЫХ напряжений к каС 1'ельным,
получаем:
(2.99)
. 1:1 2Т,е (1 + 2,...)
КRсрКб :о, 2G('I)E (2 + ,...) + I
Экспериментальные и расчетные данные имеют хорошую схо..
димост ь (отклонение 2+5 %), поэтому их можно применять для
расч та скорости или температуры при производстве пустотелых
,И3Jl,елий, профилей, rранул. Исходя из условия обеспеч ния за..
дзнн,ЫХ .размеров этих изделий, т. е. по известным размерам Ф9Р
мую ей rоловки и значению К Э можно рассчитать размеры, вы..
ходящеrо экструдата. По данным уравнениям решается также
обра ная задача, т. е. определяются размеры формующих каналов
при 1 известных условиях течения расплава.
Эффект. Вайссенберrа. Исследуя различныIe случаи Kl?yroBbI
тече ий расплавов полимеров, Вайссенберr показал, что жид
кости, обладающие высокоэластичностью, при сдвиrе по цилин..
дри еским плоскостям Ka бы,l стяrиваются к оси вращения
преодолевая центростремительные силы. При сдвиrовQМ течении
между вращающимися цилиндрами, дисками или между ..цискам
It
. (2.100)
6
,
I
,
.I- .
Рис. 2.25. Изменение размеров 9кструдата (а) и схема возникновения танrенциаJlЬНЫХ
НОрМaJlЬНЫХ напряжеиий О'вв (6) при течении, между вращаЮЩИl\tИСЯ ЦИ,,11Iндрами.
Рис. 2.26. Схема раСПОJlожения векторов напряжениА при KpyroBol\I теtlеllИИ. рас..
nJlaBa.
3* 61
U; llJ
Рис. 2.27. Различные формы проявления эффекта ВаАссенбе р rа. . пол ' ож '
ДО вра щ ени ( ) (б) ,ение раСПJlа8а
я а и в момент вращения стержня 11 пустотеJlоrо ЦИJlиндра.
а 5
и конусами ориентация макромолекул происходит l}O Дуr OKPY ,
ности тел вращения. При этом, если молекулу предстаВИl1Ь ь виде
упруrой обобщенной механической модели, то модель, деформи-
- руясь, также будет располаrаты:1 по дуrQ r.\U'I' Т ИIIО .L 1'{, Кё:1!\: по
казано на рис. 2.25, б. Макромолекулы, находясь в такой Hepa .,
новесной конформации, стяrиваются к оси вращения, так aK при'
сложении векторов <1ее появляются радиальные нормал ные на-
пряжения (J,r. ;
Из rе6метрическоrо построения (рис. 2.26) видно, I что нор-
I
мальное напряжение <1" обусловливает сжатие полимера (создает
rидростатическое давление) и количественно связано с нормаль-
ным напряжением <1ее. Отсюда становится. ПОНЯТ,ным необычноt::.'
поведение расплава при сдвиrовом KpyroBoM течении.-Так, при
вращении стержня происходит подъем расплава по стержню
вверх (рис. 2.27), а при вращении пустотелоrо цилиндра раСП..ТIав
течет по внутреннему отверстию, преодолевая силы rравитации.
Эффект Вайссенберrа имеет практическое значение: на нем
nUва. -о IIзмерение первой разности нормальных напряжений
в реоrониметрах, на этом принципе работают дисковые экстру деры.
r лава '3
ТЕхнолоrИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЛАСТИЧЕСКИХ МАСС
Выбор методов переработки полимеров и расчет теХНОJ10rических
параметров проводится с учетом технолоrических свойств мате-
риалов: текучести; влажности, времени отвер дения, сперс-
ности, усадки, таблетируемости, объемных характерист ик.j В за-
висимости от значений этих показателей полимеры можно счи-
тать технолоI"ИЧНЫМИ ИЛИ нетехнолоrичными. Однако понятие
,-
технолоrичности является несколько условным, так как характе-
ризует способность полимеров к переработке СУIДествующими
в даннqе' время методами и на серийно выпускаемом оборудо-
вании.
68
u '
с учетом измеренных значении технолоrических характеристик
MorYT разрабатываться новые методы переработки, технолоrиче-
ская оснастка или оборудование. Поэтому целесообразнее исполь-
зовать не общее понятие технолоrичности полимеров, а оценивать
технолоrические свойства количественно.
3.1. ТЕКУЧЕСТЬ И ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В ТЕхнолоrии
ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС
I
I
Текучесть характеризует способность полимеров к вязкому
течению при воздействии внешних усилий и численно равна об-
ратной величине вязкости 1/'У). Наиболее полная количественная
оценка текучести может быть дана с использованием реолоrиче-
ских 'характеристик, рассмотренных в rл. -2. Однако применяются
и друr е показатели, например, текучесть по Рашиrу или пока-
затель текучести расплав . При этом первый из них служит для
оценки свойств термореактивных пресс-материалов, а второй.........
термопластичных поли еров.
3.1.1. Текучесть термопластичных полимеров
О текучести термопластичных полимерных материалов судят
по показателю текучести расплава (индексу расплава), измеряе-
мому методом капиллярной вискозиметрии при cTporo определен-
ных условиях. За показатель текучести расплава принимается
масса полимера, выдавленная в течение 1 О мин через стандартное
сопло под, давлением соответствующеrо rруза и при заданной
температуре.
в соответствии с rOCT 11645 73 для измерения показателя текучести pac
I u u
плава применяется rрузовои капиллярныи вискозиметр, конструкция KOTOpOro
показана на рис. 3.1. I Основным узлом при-
бора является измерительная камера, кото-
рая состоит и оБОЙ,мы 9 и CMeHHoro ци-
линдра 10, в.отверстие KOToporo снизу вста-
вляется капилляр 12, закрепляемый стопор-
ной планкой.. Планка при движении рукоят"
ки 14 перемещается эксцентриком 13. На
поверхности обоймы 9 под наrревателем 20
для замера температуры установлен термо-
метр сопротивления 11. Измерительная
камера закреп..тхена на кронштейне 17 и теп-
ЛОИЗ0лирована от Hero втулкой 18.
Рис. 3.1. Прибор для измерения показатеJlЯ т.-
кучести расплава: 1
1 кронштейн; 2 штурвал; 3 зажимна '.
втулка; 4 ПQдвижная rильза; 5 шарик; 6 . \
rруз; 7 шт-!)к; 8 воронка; 9 обойма; 10 ..
цилиндР; 1 1 термометр сопротивления; 12........
капилляр; 13 эксцентрик; 14 рукоятка; 15 ......,:
плита; 16 зеркало; 17 кронштейн; 1 8 теп-
лоизоляционная ):s'iY1Ka; 19 стойка; 20 элек-
тронаrреватель; 21' часовой индикатор; 22
в и нт .
69
Наrружающе устройство состоит из штока 7 с набором rрузов 6. Шток
перед испь,танием фиксируется на подъемном винте 22 стопорными шариками 5,
зажимной втулкой 3 и подвижной rильзой 4. При подъеме rильзы 4 шарики
проходят в пазы и освобождают от зажима сферический хвостовик штока 7.
Подъем штока и опускание ero может осуществляться механически. При враще
нии штурвала 2, закрепленноrо' в кронштейне 1, перемещаетс.я винт 22 и
шток 7. Все узлы прибора смонтированы на стойке' 19, закрепленной на плите 15.
Наблюдают за вытекающим расплавом с помощью зеркала 16, а раСПJIав
срезается торцовым ножом. Для определения объема ВЫДавливаемоrо поли-
мера имеется часовой индикатор 21.
Показатель текучести расплава определяют следующим образом. На pery-
ляторе устанавливают заданную температуру и наrревают прибор. Рукоят-
кой 14 выдвиrают стопорную планку и сверху в отверстие цилиндра 10 опу-
скают капилляр необходимоrо размера, выбираемый в зависимости от иссле-
дуемоrо полимера. Для контроля за температурой внутрь цилиндра 10 встав-
ляют ртутный термометр. После наrревания прибора ртутный термометр выни-
мают, а в цилиндр небольшими порциями (1 1,5 см 3 ) заrружают полимер,
уплотняя каЖдую порцию до образования однородной массы расплава. Камеру
цилиндра заполняют примерно на 3/4 ее rлубины, после чеrо шток 7 освоб<r
ждаIОТ из зажима и опускают в отверстие цилиндра 10.
Расплав выдерживают в течение 10 15 мин для установления равномер-
ной температуры, а затем на шток 7 устанавливают стандартный rруз и выдав-
ливают расплав. Через определенные промежутки времени выдавливаемый
расплав срезается с капилляра (сопла) ножом и взвешивается. ПоказатeJIЬ те-
кучести расплава i (в r/l О мин) рассчитывают по формуле: .
i == 10Q/t (3.1)
rде Q масса полимера, r; t время выдавливания, мин.
Показатель текучести расплава является сравните ьной x' -
рактеристикой, однако он широко используется на практике.
J10 значению показателя текучести расплава проводится предва-
рительный выбор метода переработки полимероп. Так, экстру-
зией можно перерабатывать полимеры с показателе текучести
расплава 0,3 1,2 r/lO мин, литьем под 'давлением 1,2
3 r/lO мин, а для нанесения покрытий приrодны полимеры с i
7 r/lO мин. Конечно, эти значения несколько у ловны" так как
подбором температуры - расплава вязкость можно изменять в ДО..
таточно широком нтервале, что позволяет высоковязкие поли..
меры перер абатывать литьем под' давлением, а низковязк е
экструзией. -
. Известнu, что показатель текучести расплава зависит от
u
строения полимера, в частности от' мол кулярнои массы:
i == ехр (С мп /в)'
rде М п среднечисловая молекулярная масса; С, В постоянные'.
Для использования в расчетах техноl1Iоrических параметров
показатель текучести,расплава целесообразно представито в виде
реолоrических характеристик. Поскольку п.оказатель текучести
р плава количественно выражает расход расплава, то, спользуя
уравнение ( .41), можно определ ть скорость сдвиrа: .
. 3n + 1 i
Yi '= n 600рл;RЗ (3.2)
rде р плотность paCn,lIaBa при тем пературе измерения ПОJ{ зателя текучести;
.R радиус капилляра (сопла).
'70
Для определения напряжения сдвиrа 'ti (в МПа) применяем
уравнение (2.68) или (2.69):
9,80R .10--6 ( 9,80 ) R .10"'8
'ti == 2nR (l + тR) == nRk Рвх 21
rде G ---:- масса стандартноrо rруз ; R ш радиус штока прибора; 1 длина
сопла; т входовый f!.оправочный коэффициент.
Найденные характеристики представляют собой координаты
одной' точки на реолоrической кривой, течения.' Поэтому практи-
ческое применение находят значения, полученные для полимеров
с различными показателями текучести расплава и представленные
в виде HOMorpaMMbI (см. рис. 5.48). Таким образом, значение пока.
зателя текучести расплава позволяет получить первую информа-
цию о реолоrических свойствах расплава и оценить способность
п'олимеров к В'язкому течению.
(3.3)
3.1.2. Текучесть термореактивных пресс..материаJlОВ
...:..' Текучесть 'термореактивных пресс-материалов' по методу Ра..
шиrа 'определяется на съемной пресс-форме, размеры которой и
условия прессования должны соответствовать стандаРТНЫМ.7
,Пресс-форма состоит из обоймы 1 (рис. 3.2), в которую вставляют два
вкладыша 2, ,соедин.яемых штифтами 5 И образующих заrрузочную камеру и
измерительный канал. Давление в камере создается пуансоном 3. Корпус (обойма)
.пресс-формы обоrре вается электронаrревателями 4. Измерительный канал имеет
овалЬН9е сечение (сечение А-А), размеры KO!o.poro уменьшаются по ходу, Движе..
ния Ha'rpeToro пресс-материала. \ / .
, Для определения' текучести навеску материала в виде порошка ИЛИ таб..
,летки помещают в заrрузочную камеру пресс-формы, которую предварительно
наrревают до температуры испытания. Затем опускают пуансон и в течение
20 с создается удельное давление в камере 30 + 2,5 МПа. Время выдержки пресс-
материала под давлением составляет 180 с. В течение этоrо времени upecc-
материал, находящийся B вязкотекучем состоянии, течет по измерительному
каналу, з.а олняя ero на соответствующую длину. После окончания выдержки
(снимают давление и'разбирают nресс"форму, отделяя вкладыши 2 друr от друrа.
За текучесть по Рашиrу принимают величину, равную длине (в мм) отпрессо-
BaHHoro стержня от. основания "заrрузочной камеры до ero плоТной части. .
( Текучесть, найденная по методу Рашиrа, является относитель-
v v
нои величинои, поскольку ее нельзя пересчитать в известные
реолоrические характеристики. При этом значение ,текучести
;(длинС! отпрессованноrо стержня) зависит от скорости отвержде-
ния пресс-материала. Так, если
материал обладает хорошей текуче-
. стью . (мало,Й вязкостью), но спосо.. А..А
бен быстро отверждаться и перехо-
дить 'в твердое состояние, то длина ч
. отпр ссованноrо стержня будет не-
большой. Это объясняется тем, что
. Рис. 3 2. Пресс-форма ДJlЯ измерения текучести
по Ра иrу:
J обойма; 2 вкладыШ; 3....... пуаНСОН; 4
1 наrрев :rель; 5 штифты.
71
:материал течет очень малое время, т. е. отвер,кдаетсн pHl1II111 , \it\
заl<анчивается время испытания. 11 наоборот: еСЛIl IIРСL >;\l(lt'еlll ал
обладает большой вязкостью, но. малой СI\ОрОСТЬЮ OTB pjlCt(:ll ilH, т,)
текучесть по Рашиrу у Hero MO)I{eT ОI{ззатьсSl высо!(оН, '1,11 1, (11\ иll
течет на протя)кении Bcero времени выдер)I{КII (18U l').
НеС1\10ТРЯ на отмеченные недостаТI(И l\1етода, TCI\)"ICC l'iJ 110
Рашиrу l\10'>IHIO использовать длн проrНОЗllропання B(): .I\)jl\ll(Jl"1 н
переработки отдельных марок fvlатерllалоI3 jIIITbeBblM ИJlII 1\() Jllpl'C
СИОIlНЫМ прессованием.ffiaпример, лllтьевыIM прессоuан Hl\\1 ()( jl)Jl_llIO
перерабатывают пресс матеРIl.алы с теl{учестью 110 1>aIH1il')' H).
180 Ml\f, а компреССIIОННЫl\1 'преССОВЗНlIеы зо 15() I,:
3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯЗКОТЕКУЧИХ СВОЙСТВ И ВРЕ,\\ЕIIН
ОТВЕРЖДЕНИЯ ТЕРМОРЕАКТИВН ЫХ МА ТЕРИАJIОВ
ПО МЕТОДУ КАНАВЦА
По типу пластометра Канавца в наСТОЯII ее Bp lil ,:с-р l1ii 110
выпускается прибор типа ППР-l, испытаНlIЯ на l\OTOp(J:\1 lIРО130-
дятся В соответствии с l"OCT 15882 79. r: ПО 10lЦl}IО ЭТОl'О 11}J1l-
бора можно определить: наПРЯ)l{ение СДВllrа I\faTep lIала в BH31\O-
текучем с<?стоянии, продолжительность прс:uыI311I1яя eI'U 13 ВН3ЕО-
текучем состоянии, ремя отвеР)I{деНIIЯ, а Tal()l<e ЗUНIIl'II\10(:ТЬ
данных характеристик от температуры 11 CI(OP()CTH CjL13111':J.
Пластометр (рис. 3.3) состоит из корпуса 1, I\OTOpl,lii заЕр\.'IIJН 1I
на подшипниках в станине прибора. Внутрь l\opllYt:a 1 Вt:ТаUЛ}IIОТСН
два вкладыша 2, образующие разъеМlIУIО IlИЛlllIДрIIЧt't'I\УНJ I()
трицу пресс формы, т. е. наружныЙ цилиндр 13IIСКОЗII.\Il)тrа. )31IY
треННIIМ цилиндром является рифленыЙ IllTbIpu 3, I,OTOPlэlI i C() ДH
нен через систему тяr с силоизмер!1телыIыM pblyaroi\1 8. lleo()xo-
димая наrрузка создается rрузом 9, а KPYT5Ill(lIii t\1()M IIT, Bt)JIiH.
каIОU IIЙ в измерительно { канале, заПIIСI>lпаетсн }I(1 ()apat)UIIt; 11
rеrИСТРllруется по llIкале измеРIIтеЛЬ1l0rо Ilр1l00ра 7. Jl:Iв.тIС'JlIIС
в измерительной камере создается ПУ3НСОIIО;\'1 5, I\OTOpl,li', (,OC}(H
няется с наrружающим устройством. Корпус 1 1I:\lee:r I1рIIПОД 6 IL
l\10жет вращаться BOKpyr ОСII с заданноЙ yr лопоЙ CEOpOCTLIO (и.
11змерение проводят следующпм образом. В со6раНПУl0 нз
двух вкладышей камеру матрицы помещают пресс ыатериал 4
fp 11 опускаlОТ паунсон 5, создастся необ
ходимое удельное давление (30:1:5 Л\l а);
затем ВI{ЛlочаIОТ ПРIlВОД вращения кор-
7 пуса 1, KOTOpblii пре:н арllтелыIo на..,
rревают до заДё1l1НОН теЫllературьr ;"
Пресс-материал, находясь I3 ВЯЗI{О1'е ,
кучем СОСТОЯ 111 (1I :\IС)l(ДУ враIl аIОЩИМС,5I,
Рltс. 3.3. Схема 11Лf.lсrоыетра: I
J - I{Upnyc митрllЦLI; ) -- Н!\.l;IДI.llu; .1 штырь;' i'
исследуемый M3TCrll,IJ1: 5 - IIУ,IШ.:Оll: 6 ...:...,lIр1IRОд:
7 I1з:\fср1l1{'лыfi'1 IJpiI(jt>P; 8 - рыч.ir; 9 {.рузы..
72
н НСIIОДВIi;,кным цилиндрами, подверrается сдвиrово {у тече
HIIIO. ВОЗНlIкаlощие на CTeHI{aX неподви ноrо цилиндра напря-
}кеllllЯ СДВlIrа стре 1ЯТСЯ провернуть штырь 3, в результате
создаСТС5I l\РУТЯЩИЙ IoMeHT М нр , реrистрируеrvlЫЙ измерительным
YCl poi'lcTB() I 7. При этом наПРЯ}I{ение сдвиrа пропорционально
KPYl'5IlIte lY !\10 leHTY и MO)I{eT быть найдено по уравнению (2.53).
tlallpHiKCllllf.: сдвиrа зависит от свойств 1атериала, теf\1пературы
11 С}\ОРОСТН сдвиrа, которая создается за счет уrловоЙ скорости
{,ар 11 у са (:\lатр ицы) и описывается уравнение1\f (2.51) пли (2.52)
13 :1аI3ilСIIЫОСТН от радиуса матрицы.
l'I IlIl{але ПРllбора реrистрируется изменение напряжения
.СДI3Ill'(1 80 времени (рис. 3.4), обусловленное процессом отвержде-
ННН, т. е. фактически записывается кривая кинетики отверждения
во оре lеНII: На диаrрамме можно выделить два учаСТI{а. Участок
КрIiВОЙ оЬ соответствует текуче IУ состоянию материа а, коrда
наIlрЯj-К lIlIС сдвиrа почти не Iеняется. Отрезок вреrvlени, соответ-
СТВУIОI1J,IIЙ участку кривой ,qb, обычно называют n.родолжитель-
I10СТЫО вязкотекучеrо состояния. В течение времени, соответ-
СТ13УН}IЦ i\lУ участку кривой Ьс, происходит хиrvlическая реакция
ОТI3СрiкдеНlIЯ. При этом уrол наклона кривой характеризует
скорость Ilсрехода материала в неплавкое инерастворимое со-
стоян НС.
.J1ре lЯ отперждения пресс-материала в пластометре /0. п со-
OTReTcfByeT участку кривой .ос., Т. е. равно вреrvlени от fIачала на-
rреП3НIIЯ до достижения определенноrо значения напряжения
cjtBIH'a T(,rIJ' Это напря>кение для фенопластов ДОЛ}l{НО составлять
5,88 \H'Ia, а для а lинопластов 3,92 МПа. По значению времени
ОТВ рiкдеIlllЯ рассчитывается время выдер>кки при прессовании
IIЗДt:ЛIIЙ (C!\f. rл. 10). Есл,И спроектировать точку Ь на ось ординат,
то ЫО,I,ИО определить напряжение сдвиrа 't Be Т, соотвеТСТВУJощее
ВНЗl(отекучсму СОСТОЯНИIО материала при .данноЙ температуре и
частоте враlI еНIIЯ ротора. Полученное значение напряжения сдвиr(l
MOil<HO IIСlIОЛLЗОD3ТЬ ДЛЯ расчета пресс-формы I1ЛИ определения
э(l)(l)( l\ТI1ВIIОЙ ВЯЗI{ОСТИ. повышением темпер уры напря>кенис
сдвнrа в области вязкотекучеrо состояния уменьшается: раньше
начинается процесс отверждения и происходит он с более высокой
скоростыо (см:. рис. 3.4). Таким оБР51ЗОМ, IIзменftя тем пуаТУQ У
испытаний, 10ЖНО проследить изменение скорости отвер)кдения и
ПРОДОJl)кительности вязкотекучеrо состояния [ Ве Т во вре { ни и
лреДуrадать поведение пресс-материала при прессовапии.
ЗаВИСIIМОСТЬ t B . т от температуры используется для HaXO)l{дe
ния {аКСll IальноЙ температуры предварительноrо HarpeBa пресс
lаТ Рllала веред прессованием. При наrревании 11атериалов до
выtЬких температур необходимо быстро заrрузить материал
в пресс-форму и сомкнуть ее, чтобы не произошло пре>кдевре!1ен-
'ное .отвер>кдение. Суммарное время заrрузки и .смыкания (вреf\'IЯ
фор ловаНII)I (1)) должно быть не больше продолжительности вяз-
КQтеКучеr'о состояния t B . Т' Исходя из этоrо, если ОТЛО>I{ИМ на оси
ординат (рис. 3.5) время формования t ф , то на оси абсцисс 1\{о)ке1\{
73
lатериал течет очень малое вре 1Я, т. е. отвер,кдаетсн p(11111111 , \it\
заI{анчивается время испытания. 11 наоборот: еСЛIl IIрСL >:\l(li'еllt ал
обладает большой вязкостью, H lалой СI,ОрОСТЬЮ OTB pjl(,:tt ll tlH, т,)
текучесть по Рашиrу у Hero MO)I<eT ОI{азатьсSl ВЫСО!(ОН, '1',11 1,(11\ иll
течет на протя)кении Bcero времени выдер)I{КII (18U l').
Несмотря на отмеченные недостатки f\lеТода, TCI\)"ICl' l'iJ 110
Рашиrу 10)1{1I0 использовать длн проrНОЗllропаНIIЯ B(): ,I\)jl\ll(Jl"1 н
переработки отдельных марок fvlатерllалоI3 лIlтьевыIM НJlII 1\() \lIIPl'l>
СИОIlНЫМ прессованием.ffiапример, лllтьевыM прессоuаНlil\\1 ()(-j}JJl.llIО
перерабатывают пресс матеРIl.алы с теI<учестыо 110 PaIHlil')' H).
180 It\f, а КО 1преССIIОННЫ 1 'преССОВ311l1еы зо 150 :\I.\
3.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЯ3КОТЕКУЧИХ СВОЙСТВ И ВРЕ,\\ЕIIН
ОТВЕРЖДЕНИЯ ТЕРМОРЕАКТИВН ЫХ МА ТЕРИАJIОВ
ПО МЕТОДУ КАНАВЦА
По типу пластометра Канавца в HaCTOHII ee Bp lil ':I "P 11....1110
выпускается прибор типа ППР-l, испытаНIISI на l{OTOP(J:\1 llрО13()
дятся В соответствии с l"OCT 15882 79. r: ПО 10lЦl}IО ЭТОl'О II}JII-
бора мо)кно определить: наПРЯ)l{ение СДВllrа I\lатерlIала в ВНЗl\О-
"..
т кучем сqстоянии, продолжительность npC:OIJIB311I1H eI'O I3 ВНЗЕО-
текучем состоянии, ремя Отвер)l(деlI 11 Я , а Tal()I<C ЗUНIIСll\1()(.:ТЬ
данных характеристик от температуры 11 СКОр()СТН СД13111':J.
Пласто {етр (рис. 3.3) состоит из корпуса 1, 1{()TOPI,lii заЕр\.'IIЛt 1I
на подшипниках в станине прибора. Внутрь l\opIlYt:a 1 Bt:TaUJI IIOTCH
два вкладыша 2, образующие разъеМIIУIО IlИЛIlНДрIРIl--'t'I\УIО I()
трицу пресс-формы, Т. е. наружныЙ цилиндр I3I1СКОЗII.\Il)тrа. )31IY
треННIIМ цилиндром является рифленыЙ IllTbIpu 3, I,OTOpl)lii C() ДH
нен через систему тяr с силоизмер!1телыIыM pbIyaroi\1 8. lleo()xo-
димая наrрузка создается rрузом 9, а KPYT5Ill(lIii !\l(jM IIT, Bt)Jlill
каIОU IIЙ в измерительно { канале, заПIlСI>IDаетсн }I(1 ()apa[)ullt; 11
рсrИСТРllруется по llIкале измеРIIтеЛЬ1l0rо IIр1l00ра 7. JlaB.тieJlIIC
I3 измерительной камере создается пуаIlСОIIО;'\'1 5, I\OTOPI,Ii'1 (,OC}(H
няется с наrру)кающим устройством. Корпус 1 1I lee:r IIIHII30j 6 IL
10жет вращаться BOKpyr ОСII с заданноЙ yr ЛОDОIUI CEOpOCTLIO (и.
11змерение проводят слеДУЮЩIIМ образом. В с06Р(lНПУIО НЗ
двух вкладышей камеру матрицы помещают пресс ыатериал 4
fp и опускаlОТ паунсон 5, создастся необ
ходимое удельное давление (30:f:5Л'\I а);
затем ВI{ЛIОЧ3IОТ ПРIlВОД вращения кор..
7 пуса 1, KOTOPbli'l пре н арllтелыIo на..,
rревают до заДё1l1НОН TeMllepaTypbr ;'
ПреСС-I\Iатериал, находясь в ВЯЗI\О1'е ,
кучем СОСТОЯ" 1 (,1l МСп{ДУ враIl аIОЩИМС.5I,.
Рltс. 3.3. Схема 11л сrОr.1еТ}Jа: I
J I{UРПУС митрllЦLI; ' -- Н!\.l;IДI.Нu; .1 штырь;' i
lIССЛСДуемый M3TCrll,IJ1: 5 IIY,IIH:OIl: б lф1IRОД:
7 IIЗ:\fСРllН.'ЛЫfыi'1 IJpil(jt>P; 8 - рыч.ir; 9 ('рузы..
72
11 НС:IIОДВli)l{НЫМ цилиндрами, подверrается сдвиrОВО iУ тече
HIIIO. lЗОЗНlIкаlощие на стенках неподви?Кноrо цилиндра напря
}1{еllIlЯ СДВllrа стре 1ЯТСЯ провернуть штырь 3, в результате
соз;tастсн l\РУТЯЩИЙ IoMelIT М нр , реrистрируеrvlЫЙ измерительным
устройс I'B() I 7. При этом напря}кение сдвиrа пропорционально
KPYl'5111{e lY ЫО lенту и мо}кет быть найдено по уравнению (2.53).
I IallpH/KCllllt сдвиrа зависит от свойств 1атериала, температуры
11 CI\OpOCTH СДВllrа, которая создается за счет уrловоЙ скорости
1\()}Hlyca (:\13ТРИЦЫ) и описывается уравнениеl\l (2.51) пли (2.52)
в :1аI3ilСIIЫОСТII от радиуса матрицы.
l'I IlIKaJle ПРllбора реrистрируется изменение напряжения
.Cjt[HII'a ВО времени (рис. 3.4), обусловленное процессом отвержде
НИИ, т. е. фактически записывается кривая кинетики отверждения
во ope 1ellll: На диаrрамме можно выделить два участка. Участок
КрIiВОЙ оЬ соответствует текуче IУ состоянию материа а, коrда
наIlрЯj-I\ lIIIС сдвиrа почти не {еняется. Отрезок вреrvlени, COOTBeT
СТВУIОI1J,I1Й участку кривой ..qb, обычно называlОТ п_родолжитель
I10СТЫО вязкотекучеrо состояния. В течение времени, COOTBeT
CT13YH}l1 ЫY участку кривоЙ .Ьс, происходит химическая реаКЦIlЯ
ОТI3СрiкдеlllIЯ. При этом уrол наклона кривой характеризует
скоро<;ть Ilсрехода материала в неплавкое и нерастворимое co
стоян не.
.l1ре lЯ отперждения пресс материала в пластометре /0. п co
OTReTcfsyeT участку кривой ос., Т. е. равно вреrvlени от ачала Ha
rрепаlIlIЯ до достижения определенноrо значения напряжения
cjtBIH'a Т(,rп. Это напря}кение для фенопластов ДОЛ}l{НО состаnлять
5,88 \H-Ia, а для а {инопластов 3,92 МПа. По значению времени
ОТВ рil\деllllЯ рассчитывается вреI\1Я выдер}кки при прессовании
IIЗДt:ЛIIЙ (Cl\I. rл. 10). Есл:и спроектировать ТОЧКУ Ь на ось ординат,
то MO,I{HO определить напряжение сдвиrа 't B . т, соотвеТСТВУlощее
ВНЗI(отекучсму СОСТОЯНИIО материаЛ(1 при 'Д}i ННОЙ те fпературе и
частоте враlI еНIIЯ ротора. Полученное значение напряжеНIIЯ сдвиr(l
MOil<HO IIСllОJILЗОn3ТЬ для расчета пресс-формы пли определеНIIЯ
э(l)(lК l\ТI1ВIIОЙ ВЯЗI{ОСТИ. повышением темперch;Уры напря}кенис
C) BIlra в области вязкотекучеrо состояния уменьшается: раньше
начинается процесс отверждения и происходит он с более высокой
скоростыо (см:. рис. 3.4). Таким оБРflЗОМ, I1зменftя тем пуаТУQ У
испытаниЙ, I\10ЖНО проследить изменение скорости отвер)кдения и
продолn{ительности вязкотекучеrо состояния [ Ве Т во вре i НИ и
лредуrадать поведение пресс материала при прессовании.
Зависимость !Не Т от температуры используется для HaXO)l<дe
НИЯ iаКСll IальноЙ температуры предварительноrо HarpeBa пресс
!\Iаr рllала перед прессованием. При наrревании 1iатериалов до
высоких температур необходимо быстро заrрузить материал
rtресс форму и сомкнуть ее; чтобы не произошло пре}кдевре!1ен
'ное ,отвер}кдение. Суммарное время заrрузки и 'смыкания (время
фор ловаНII)I (1)) должно быть не больше продолжительности вяз
коте1<учеr'о состояния t B . Т' Исходя из этоrо, если ОТЛО}I{ИМ на оси
ординат (рис. 3.5) время формования t ф , то на оси абсцисс l\{O)KeM
73
3.4. УСАДI<А ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТМАСС
Поскольку определенную конфиrурацию и размеры изделие
принимает, коrда полимер находится в расплаве, то последующее'
охлаждение вызывает изменение линейных размеров изделиЯ,
т. е.'появление усадки. Усадка У (в %) характер.изует уменьшение
линейных размеров изделий по отношению к размерам форму-
ющеrо инструмента:
у == lф l и .100
lф
(3.4)
rде lф размер формующей полости при 20 ос; l и ..... размер изделия при 20 ос.
Вследствие Toro что большинство изделий формуется за счет
сдвиrовоrо течения, появляется анизотропия усадки, т. е. раз-
меры по различным направлениям изменяются неодинаково.
Анизотропия усадки ау определяется по формуле:
ау == У 8 /У .L (3.5)
rде у 1. усадка в направлении, перпендикулярном течению; У I усадка
вдоль направления течения.
Как уже было paccMorpeHo paHee, eOДHopOДHOCTЬ напряжений
сдвиrа по толщине потока расплава, а также наличие температур-
Horo rрадиента при охлаждении расплава обусловливают возник- 1
новение структур, отличающихся по размерам и форме. KpON[e I
Toro, в изделиях MorYT появиться остаточные напряжения. Для
придания структуре однородности и более полной релаксации
остаточных напряжений применяют наrревание изделий и BI:I-"
держку их в течение определенноrо времени термообработк'у.
Релаксационные процессы и структурные изменения прц
водят к изменению линейных размеров изделия, которые оцени..
ваютс . величиной дополнительной усадки Уд (в %):. .
Уд . 1 lT .100 (3.6)
rДе 1 и lT размеры изделия до и после термообработки.
Уменьшение линейных размеро изделий и анизотропия усадки
зависят от строения полимера и условий формования. Усадка
терм<;>пластичных и термореактивных полимерных материаЛОВI
имеет различную физико-химическую основу.
3.4.1. Усадка изделий из реактопластов
Изделия из реактопластов изrо:rавливаются преимущественно
прессованием, литьем: под давлением, методом заливки' в формы
или контактным формованием на модели, копирующей конфиrу-
рацию изделия. Y aДKa изменяется в зависимости от метода фор-
мования и вида материала. '
РаССМОТРИ 1 зако мерности изменения усадки при компресси-
онном и литьевом пре СGвании, а также при литье под давлением.
76
О/О а !J,% о
1,8 2 2
о 1,ч
1,ч
1,0 1 1,2 1
л л / 1,0
0.6
,
0,2 О *80 720 t,c 0,8125 1'l5 165 т,ос
Рис. 3.8. Зависимость изменения усадки У от времени отверждения t (а) и темпера
TYP т (6) при Jlитьевом прессовании:
1 усадка в направлениИ, перпендикулярном течению: 2 усадка ВДОЛЬ :направления
I'ечени я. I
,) I
" :
При изrотовлении изделий этими метода и происходит p ex oA..
п.рлимерноrо связующеrо в зкотекучее состояние и протекает
реакция ПQ.J.I.и еризации или поликонденсации.' Последняя, Ha
пример при прессовании изделий из пресс порошков на основе
:ренолоформальдеrидноrо связующеrо, сопровождается выделе
нием побочноrо продукта воды, которая под действием высокой
lt Iпературы испаряется. Процесс отверждения протекает во
времени, поэтому ч м больше время выдер.жки, тем полнее завер
шается химическая реакция и усадка после изв ечения изделия
из формы становится меньше (рис. 3.8). При сокращении BpeMeHil
отверждения частота пространственной сетки в отвержденном
полимере уменьшается, снижается ero жесткость и ПОЭТ0МУ интен-
сивнее развиваются релаксационные процессы вне формы. Поэтому
размеры изделий уменьшаются, усадка увеличивается. Измен ение
времени' выдержки также влияет на количество выделяемой BOДЫ
и на объем, занимаеМ IЙ изделием, что приводит к ИЗl\1енению
усадки.
.вЛJi яние температуры на усадку несколько сложнее. В дaH
ном слу't!? ВQзрастает разность температурных изменений разм:е
ров изделия и стальной пресс-формы, одновременно изменяется
И I{пн€:ти а отверждения полимера. При высокой температуре
поверхностные слои отверждаются быстреё; что затрудняет yдa
'ление паров воды и друrих летучих веществ. После извлечения
{iз пресс формы они постепенно удаляются, соответственно YMeHЬ
шается объем изделия и усадка возрастает.
Как видно из рис. 3.8, при литьевом прессовании усадка вдоль
нипраВJlения течения материала в пресс форме примерно :в. 2 'iJ з
больше, чем в напраВЛ,ении, перпенди улярном течению. Подоб
ная картина, характерна. также для компреССИОННОf.О прессования,
особенно при изrОТОВJ'.еiIии rOHKocTeHHbIx изделий. Усадка по
высоте ДJ1Я них всеrда больше чем по друrим направлениям.
Наиболее ярко проявляется анизотропия усадки при pecco
вании изделий из пресс-материалов, содержащих в качестве
наПО..'1нителя древесную .МУКУ. ДЛЯ пресс-мат риалов, наполнен-
чых п'орошкообраЗНЬП1i минераЛ.ЬНЫ f наполнителем НtlЗР:.....t: . ''lЛ
не наблюднется И,ТIи выражена незначит :а ", ', чем в направле-
79
O/o а У, '10
"
J '1,5
2 1,3
l' 1,1
Z Ч 6 8 ",О/о 0,960 90 120 150 t,c
.Рис. 3.9. Зависимость изменения усадки У от ВJlажности пресс материаJlа q> (а) и вре-
мени предваритеJlьноrо (высокочастотноrо) наrревания (6):
1 усадка ВДОЛЬ направления течения; 2 усадка в направлении, перпеНДИКулярном
теченИю.
. .
усадки для наполненных пресс материалов можно объяснить
различной ориентацией частиц наполнителя и связующеrо в MO
мент заполнения формы под действием напряжений сдвиrа.
На величину усадки влияет такж влажность пресс материала
(рис. 3.9, а): Так, при увеличении содержания влаrи усадка
возрастает и при влажности пресс материала ОКQЛО 9. % COCTaB
ляет примерно 3 %. Длительное хра!iе"ие пресс материалов во
влажных условияк может привести к ПОЯJ3JIению брака изделий
по размеру после прессования. Для снижения усадки можно
использовать предварительное наrревание пресс материалов. При
наrревании до температуры выше 100 ос часть влаrи перед прес
сов-ание испаряется и усадка уменьшается; при этом чем больше
время '.предварительноrо наrревания, тем выше температура и
соответственно тем меньше усадка (рис. 3.9, б) . ."
3.4.2. Усадка изделий из термопластов \
При изrотовлении изделий из термопластичных ПОЛИ lеров
также происходит усадка, однако ее закономерности' Е физи;ческая
! природа ИНые. ИЗ,вестно, TO ! OBPJ"
р, Х'/М Ш !i ем Te jJ :rY bI. п отн<?сть поли
p,OB.YMe'Hь aeTC (рис. 3.1 О). Поэтому,
п.ри изrо овлении изделий прессова
нием иди литьем ПОАдавлением после
заполнения формы расплав необхо-
димо сжать, чтобы снизить усадку
,, з,целий.} Tal<, при ли.!ье изделий из
полистирола f'iрИ дав.цении 100 МПа
усадка состаВЛSlет О, 1 O,2 % (Особенно
сильно изменяется усадка в случае
.кристаллизующихся полимеров, дJIя
которых характерна нелинейная за
висимость удельноrо объема от темпе
1010
1050
1030
1010
990
. о
. I I I I
отриь.1 заКUt . .L't l н'""" ?ПО Т. ОС Рис. 3. t о. 3авис'Имость ПJlОТНОСТИ ПОЛИСТИРОJlа от
литьевом пре<:С.GваниИ, (А , температуры при раЗJlИЧНОМ даВJlении.
ратуры (см. рис. l. l). Однако существенно понизить усадку
криеталлизующихся полимеров за счет повышения давления
в форме практически не удается, так как при высоких давле
ниях затрудняется извлечение изделий из формы.' '.
<5 Поскольку плотность полимеров зависит от:;,siепени крис ал
.;lИЧ 9 GJ]I . усадf(а .иЗДелий CO'OT-ВeTCT eHHO ависит от скорости их
охлаждения"; температуры формы и расплава.- 3ависимоcrь 'удеЛЪ
Ho"fo' объема от т'емпер'зтуры и давлёни-я ' с' некоторым приближе '
нием можно описать модифициро анным уравнением состояния:
(y д..... Ь) (р + П) == RT /М (3.7)
rде У}'д удельный объем, M 3 /Kr; Ь, П..... коЭффициенты; р давление, Па;
М молекулярная масса полимерноrо звенз; Т температура, К; R ra-
зовая постоянная. .....
Ниже привед€ны значения псстоянных в уравнении (3.7) дл
различных полимеров:
М, кr/моль П, МПа Ь, U 3 /Kr
Полистирол 0,104 180 0,000822
Полиметилметакрилат 0,100 210 0,000734
Этилцеллюлоза 0,0603 230 0,00072
Ацетобутират целлюлозы 0,0544 280 0,000688
Полиэтилен низкой плотности 0,0281 320 0,000875
Полиэтилен высокой плотности 0,0281 295 0,000875
Полиамид (П 6, п 10) 0,0027 1078,6 0,000738
Используя уравнение состояния, можно получить выражени ,
описывающее зависимость усадки от. различ,НЫХ параметров.
Для этоrо в уравнении (3.4) заменим линейные размеры на объемы
формующей полости и расплава:
у == 1 (У пзд/V ф)1/3 (3.8)
rде V изд 'o бъем изделия при O сс; V Ф сбъем расплава в форме при тeMne
ратуре литья.
Выразим сбъемы через удельный объем и массу полимера:
..... о р
V ИЗД тУ УД V Ф тУ уд (3.9)
rде т..... масса полимера; y д..... удельный объем полимера при 2Р ос; y д........
удельный объем расплава полимера при температуре и давлении лиТЬя.
Удельный объем расплава из ура нения состояния (3.7) равен:
V A == Ь + RT/M (р + П) (3.10)
Подставив значения V изд и' V ф в уравнение (3.8) и З fенив
удельный сбъем полим ера на ero плотность, r пол учаем:
. у == 1 ..... -v м (р + П)/р [RT + МЬ (р + П)] ' (З:l i)
. Даннее' уравнение не учитывает анизотропию усадки, которая
возника т вследствие ор'И'ентацйи "макрdмdлекул пgл.имера при
течении расплава в фОР!v1ующей полости, экструзионных rоловках
или в валковом зазоре каландра. При охлаждении изделий,.
имеющих неоднородную ориентацию макромслекул, рззмерьi их
ДC"lЬ прарления _те ения изменяются сильнее,. чем в' направле
, 79
нии, перпендикулярном течению. Поскольку степень ориентации
зависит от температуры и CKOpOCT течения, то анизотропия
усадки возрастает при понижении мпературы и повышении
корости течения расплава.
Усадка проявляется при всех методах переработки термопла
стов. Нgll:iбольшая усадка имеет место при переработке пластмасс
литьем авлением, поскольку при этом методе формования
расплав затекает (впрыскивается) в замкнутую форму и охлажде
иие' происходит с наружной' поверхности. В случае создания He
дdстаточноrо давления при охлаждении расплава происходит
значительное уменьшение объема полимера, поэтому внутри из
делия появляются пустоты или изделие дает больщую усадку.
Значение усадки необходимо учитывать при расчете технолоrиче
екой оснастки, поэтому изучение закономерностей усадки имеет
важное практическое значение...)
3!4!3! Методы определения усадки
Усадку полимерных материалов определяют по rOCT 18616 80. Сущность
метода заключается в нахождении разности размеров формы и изrотовленных
обра цов и в расчете усадки по формуле (3.8).
.Для испытания используются стандартные образцы в виде брусков и дисков,
которые изrотовляются в соответствии с rOCT 12015 66 и 12019 66.
Образцы из реактопластов получают прессованием в пресс форме поршне
Boro типа, а образцы из термопластов литьем под давлением. Для испытания
отбирают образцы, изrотовленные только в условиях безостановочной. работы
литьевой машины и воспроизводимости каждоrо цикла. Образцы замеряют не
ранее чем через 16 ч с момента их изrотовления. Перед измерением образцы
кондиционируют.
Для опредew1ения дополнительной усадки образцы из реактопластов под
BepraIOT термообработке в течение 168 ч (фенопласты при 110:f::2 ос, амино-
n.'IaCTbI прй 80 :f:: 2 ОС\,
3.5, СОДЕРЖАНИЕ ВЛАrи и ЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ
При транспортировании в открытой таре и при длительном
хранении в сырых помещениях в пресс материалах и полимерах
может увеличиваться содержание влаrи в OCHOBHOl\f за счет rиrро..
екопичности материала (адсорбционная влаrа) или конденсации
ее на поверхности полимера (внешняя влаrа). На содержание
влаrи влияет rидрофильность полимера и наполнит Ля, степень
ИЗМ,е;п чения (дисперсность), а также условия и продолжительносТь
'хранения. Чем выше дисперсность материала, тем более развитой
поверхностью он обладает и, следовательно, выше ero адсорб
I ИОНlIая способность.
Содержание л тучих веществ в полимерных !vlатериалах за
ЧСl!Т ОТ .содержания в них остаточноrо MOHo lepa и низкокипящих
пластификаторов, которые при температуре лереработки MurYT'
пеDеходить в r зообразное состояние.
, Содержание ВJIаrи или летучих веществ (в %) опредесПяетея
перед переработкой поли ерных материало
80
tJ»ис. 3 .11. Прнбор Дина н Старка ДJlЯ определения содержания ВJlаrи:
1 колба; 2 ловушка.прием ик; 3 холодильник.
Наиболее простой метод определения содержания влаrи
и летучих веществ сушка полимера в сушильном шкафу.
Навеску полимера в количестве 5 + 0,0002, r помещают в бюксе
в сушильный шкаф и высушивают при 100 110 ос дО по
-стоянной массы, Т. е. до тех пор, пока разница результатов
взвешивания через 30 мин не будет превышать 0,0002 r. Для
некоторых полимеров температура сушки указана в rOCTax.
По окончании ушки бюксы закрывают крышкой и помещают
для охлаждения в эксикатор с прокаленным хлоридом каль
ция, после чеrо повторно взвешивают с указанной точностью.
Содержание влаrи и летучих веществ Х (в %) вы-
исляют по формуле:
Х == (т тl)/т2.IOO (3.12)
rде т и тl масса бюкса с навеской материала до и после сушки соответственно,
r; т 2 навеска исследуемоrо полимера, r.
Недостатком метода является большая длительность определения вследствие
медленноrо удаления влаrи и необходимости MHoroKpaTHoro взвешивания..
Содержание влаrи в rиrроскопичных полимерах целесообразнее определять
с помощью вакуумных сушильных шкафов, что значительно ускоряет npo
цесс сушки.
Для определения влаrи в пресс порошках применяют также метод Дина
и Старка. Навеску материала в количестве 50 100 r помещают' в колбу 1
(рис. 3.11), в которую наливают 100 150 мл обезвоженноrо ксилола или тo
луола. В колбу 1 вставляют приемник ловушку 2, соединенную, с холодиль
ником 3. Собранный прибор. усйнавливают вертикально и колбу наrревают на
песчаной бане. При кипении растворителя вода испаряется и, конденсируясь,
собирается в приемнике ловушке 2. oдa, плотность которой выше, tfeM у paCTBO
рителя, накапливается внизу, объем ее измеряют по шкале ловушки. Испыта
ния проводят до тех пор, пока объем воды не перестанет увеличиваться. Coдep
жание воды Х (в %) рассчитывают по формуле:
Х == (V /т) .100 (3.13)
rде V объем воды, мл; т навеска полимера, r.
Недостатком данноrо метода является пожароопасность вследствие при
менения орrанических растворителей и необходимость их предварительной
осушки. Этот метод неприrоден для материалов с малым содержанием влаrи
из за ero невысокой точности.
Влажность пресс матер:иалов оказывает влияние на процесс
переработки и качество получаемых .изделий. Так, при прессова
нии термореактивных материалов с повышенной влажностыо
удлиняется время выдержки при отверждении, поскольку сни
}кается скорость отверждения и увеличивается число подпрессо
вок, Т10ВЬТlJIа тся усадка, на изделиях MorYT появляться взду.тия
или трещин,ы, снижается механическая прочность изделий. ' .
При переработке термопластичных полимеров с повышенным
содержанием влаrи ухудшается адrезионная способность. Поэтому
при вальцевании или каландровании появляется проскальзыв
иие полимера на поверхности валков, ухудшается внешний вид
изделий; при экструзии и литье под давлением в изделиях MorYT
обра'зовываться поры и пустоты, а на псверхности серебристыIe
полосы. Повышенное содержание влаrи сни){{ает фИ3ИКО 1ехани
ческие свойства изделий, ухудшает их диэлектрические цоказа
81
те и. При переработке влажнрrо поликарбоната,. полиэтилен
те ефталата и некоторых друrих полимеров pe KO уменьшается
их термостойкосtь. .
Оптимальное содержание влаrи обычно указывается в rOCTax
на материалы. Так, для пресс"материалов оно составляет 2,5
3,5 %, для термопластичных полимеров сотые и тысячные
доли процента.
3.6. rРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ
rранулометрический состав полимерных материалов оценива..
ется по дисперс ости и однородности.
Дисперсность характеризует размер частиц в единицах длины
(мм или мкм). Данный показатель учитывается при объ емном
дозировании полимернqrо материала. Дисперсность влияет на
производительность экструзионных arperaToB, например, при
очень больших разм рах частиц, коrда о'ни "'превышают rлубину
нарезки в зоне заrрузки, 'затрудняется заполнение витков шнека
rранулами и ухудшается питани-е arperaTa ПОЛИМ,ером. Внекоторой
степени в зависимости от размеров частиц изменяется теплопро..
водность и равномерность окр ски при переработке цветных по..
лимерных .материалов. С уменьшением размера частиц (повыше..
нием дисперсности) несколько увеличиваются прочностные по..
казатели изделий (разрушающее напряжение при изrибе, ударная
вязкость) и уменьшается усадка при переработке реактопластов.
Существенное значение для переработки пластмасс имеет
однородность материалов (полидисперсность), которая выра)кается
в процентном содержании отдельных фракций. Неоднородность
rранулометрическоrо состава 'приводит к изменению насыпной
плотности, непостоянству механ ской прочности изделий и на..
рушению стабильности ра 1"Ч ем выше однородность порошка,
тем он технолоrичнее, так уменьшается разделение по фр-ак"
циям в QYHKepax машин и вибрационных дозаторах, обеспечива..
ется точность объемноrо дозирования. ОДНО}IOдность пресс..по..
рошков способствует равномерности их' наrревания в пре с..фор"
мах и цилиндрах литьевых машин. При наrревании и отверждении
полидисперсных порошков MorYT появиться'вздутия или неров"
ности поверхности изделий.
J Для определения размеров частиц
и фракционноrо состава используют
раЗЛИЧНЬLе методы, однако наиболее
"" простым является ситовый анализ.
Предварительно высушенный - при
110 ос пресс"порошок в количестве
5 50 r высыпают в чистое сухое сито.
Рис. 3.12. Прибор ДJlЯ определсния rраНУJlОМСТРИ"
ческоrо состава: \
1 элеКТРОДвиrате.7JЬ; 2 счетчик оборотов; 3
встряхИвающий механизм; 4 набор сит; 5
корпус.
82
'Конструкция прибора для просеивания показана на рис..3.12.
Прибор состоит из корпуса 5, на котором смонтирован набор сит 4,
-совершающих колебательно вращательное движение BOKpyr оси.
'Встряхивание сит осуществляется с помощью механизма 3. Прс-
.сеивание обычно продолжается 15 20 мин, после чеrо сита сни
f\лают и содержимое их взвешивают.с точностью до 0,01 r и рассчи
-тывают содержание фракции.
ля определения размеров rранул применяется метод прямоrо измерения.
Отобранную пробу массой 100 r просеивают через сито Н2 02 04. Частицы,
прошедшие через сито, взвешивают и определяют содержание пылевидной фрак-
ции. Из rранул, оставшихся в сите, выбирают непрорезанные и слипшиеся и
13звешивают их. Из оставшихся rранул выбирают 10 штук, измеряют их размеры
и рассчитывают среднеарифметичеСКlIе значения.
.3.7. ОБЪЕМНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
к объемным характеристикам относятся насыпная плотность,
удельный объем, а также коэффициент уплотнения.
Удельный объем величина, характеризующая отношение
объема, занимаемоrо пресс порошком, к ero массе. Этот п.оказатель
используется в основном для пресс"порошков. Удельный объем
зависит в основном от дисперсности порошка и ero однородности,
а также от формы ча тиц. Насыпная плотность величина, обрат
ная удельному объему. В зависимости от этих показателей pac
считыва.ют объем заrРУЗ0ЧНЫХ устройств, бункеров, а также OT
дельные 'размеры перерабатывающеrо оборудования. Так, при
прессовании пресс порошков с' большим удельным объемом пресс
формы должны иметь большие заrрузочные камеры, что увеличи
вает их вес и стоимость. Поэтому, перед прессованием порошки,
как правило, подверrают таблетированию или выпускаю flx"
в rранулированном виде. Особенно велико значение удельноrо
объема при п реработке пластмасс на экструзионных или литье
БЫХ arperaTax: в зависимости от насыпной плотности изменяется
прои водительность arperaTa и давление в ц линдре. Пресс по
рошки с большим удельным объемом имеют плохую теплопровод
ность, ПОЭТОl\.IУ цикл (время) формования удлиняется.
Удельный объем, или насыпную плотность, сыпучих материалов опреде-
ляют следующим образом. Пробу порошка или rранул через воронку ссыпают
в из ерительный сосуд объемом 100 200 см З . Избыток материала удаляют ли
нейкой. Взвешивают измерительный сосуд с точностью до 0,1 r. Удельный
объем V уд (в cM 3 /r) рассчитываI9Т по уравнению:
V уд == VI(m2 ml)
(3.14)
rде V объем сосуда, см З ; тl масса nycToro сосуда, r; т2 масса сосуда
с полимером, r.
ДJ.IЯ измерения уде.1,Iьноrо объема волокнистых ма'I:ериалов, не обладающих
сыпучестью, их ук..'IаДЫВают в измерительный сосуд, разравнивают, а затем
при){{имают УПоТ;,:'),тняющим штоком. Удельное даВ..1ение дол}кно оставлять не
более" 0,005 мr{ '\ для испытаний берут навеску массой 60 + 2 r и по IlIKa.'Ie
уплотняющеrо l:1TOKa находят объем, занимаемый навескоЙ. Удельный объем
lJассчитывают .. по формуле (3.14).
83
Насыпную плотность РН (в r/см З ) rранулированных полимеров определяют
по т<?й же методике, что и удельный объем сыпучих материалов (порОIПКов),
а рассчитывают по следующей формуле:
РН == (т;.. ml)/V (3.15)
Коэффициент уплотнения представляет собой отношение плот"
ности отпрессованноrо или отформованноrо изделия к насыпной
плотности порошка или rранул:
К у == Ро/Рн == УУДРО (3.16)
rде Ро плотность полимерноrо издел.ия при 20 ос.
Коэффициент уплотнения применяется в основном для расчета
объема заrрузочных камер пресс форм.
3.8. ТАБЛЕТИР ЕМОСТЬ
Под таблетируемостью понимают способность пресс материалов
спрессовываться под действием давления и сохранять заданную
форму. Поскольку в исходном состоянии пресс порошок или волок..
нистый материал занимают большой объем, их предварительно
таблетируют, Т. е. придают им определенную конфиrурацию.v
Наиболее часто таблетки имеют цилиндрическую форму опреде..
.пенноrо диаметра и высоты. При использовании таблетированноrо
материала уменьшается потеря сырья и улучшаются условия pa
боты. Дозирование в данном случае производится по числу табле
ток определенной массы, поэтому таблетки при транспортировании
или хранении не должны разрушаться.
На таблеТllруемость в значительной степени влияет rрануло -
метрический состав. Чем меньше частицы порошка, тем прочнее
получаются таблетки. Это явление объясняется тем, что мелко
Дt сперсные порошки имеют более развитую поверхность.
Улучшается таблетируемость и с повышением влажности.
Считают, что полимерные материалы обладают хорошей таблети
руемостью, если изrотовленные таблетки не разрушаются под
действием определенноrо усилия (8 МПа) при вдавливании сталь
Horo шарика диаметром 5 мм. Для испытания на таблетируемьсть
изrотовляют таблетку диаметром 20 мм и высотой 12 15 'мм.
Пресс материалы таблетируют при двустороннем сжатии с удель
ным давлением 80 100 МПа. Разрушающее усилие проверяется
на испытательный машине на сжатие. В верхнюю опору при этоМ
вставляют оправку, имеющую сферический наконечник радиусом
5 мм, испытания проводят минимум на 5 таблетках, ото()раtсi:iыIx из
одной партии, и находят среднее разрушающее усилие.
Та()летируе )10СТЬ имеет большое практическое значение, ,ПО"
скольку позволяет УI.1еличить ПЛО7НОСТЬ пресс порошка. Таблети"
рованные материалы з нимают меньший объем, обладают повы
шенной теплопроводностью и дают меньшие потери при заrрузке
11 '1 ;><:1нспортирсвке порошков.
ТЕХ.нолоrИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
1
ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС
ЧАСТЬ ВТОРАЯ
r лава 4
КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ
И подrОТОВИТЕЛЬНЫЕ ОПЕРАЦИИ
ПЕРЕРАБОТКИ ПЛАСТМАСС
4.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ПЕРЕРАБОТКИ
ПЛАСТМАСС
В настоящее время изделия из пластических масс производят весьма
разнообразными методами. При этом выбор метода изrотовле
ния изделий обусловлен видом полимера, ero исходным состоянием,
а также конфиrурацией и rабаритами изделия. Изделия из pac
.плавов или растворов термопластичных полимер"О]) изroтов-ляlОТ'
экструзией (неriр.ерыlноеe выдавливание расплава), литьем под
давлением (заполнение расплавом полости формы), каландрова
нием (течение между валками), выдуванием (для пустотелых из
делий), спеканием, напылением. В некоторых случаях, Н ПРИfvlер
при получении вспененных изделий, в полимер вводят парОО,бра
зователи. \ Изделия из .термореактивных Iатериалов MorYT быть
полученьrпри использовании отдельных компонентов (связующих,
наполнителей, о.твердителей, красителей) или rOToBbIx КОl\IПО
зиций (пресс материалов) прессованием, литьем. под давлением,
KOHTa THЫM формованием, намоткой и друrими методами.
Крупноrабаритные изделия из стеклопластиков изrотовляют
контактным формованием, малоrабаритные прессованием.
Пневмовакуумформованием получают изделия из .листовых . за
rOToBQK, а также изделия, имеющие небольшую толщину стенок.
Объемные изделия (емкости, бутыли) в' настоящее время произ
вqдят .MeTOДO ! выдувания из трубчатых заrотовок расплава поли
мера, но для изrотовления изделий очень больших rабаритов
(сосуды вместимостью 1000 3000) применяется преимущественно-
ротационное формование.
,Ta oe разнообразие методов (их существует более тридцати)
тре'бу т определенной классификации. \Предпринимались попытки
rруппировать методы переработки пл астмасс по типам изделиЙ
(трубы, пленки, сосуды и т. д.), однако такой принцип не учиты
вает различия и сходства протекающих при перерабо ке физи
ко химических процессов. I Наиболее правильный способ объеди
нения различных методов"" в" типовые rруппы предложен l"\aK
Келви. в первую rруп им были включены методы перера&Уri\И
пласт асс, основанные на протекании только физических про-
цеrсов; во вторую rруппу ......:.... методы, цик,,'! ч'ормообразования
в которых заканчивается химическими превращеНИЯ .1И,\ а iетоды"
при которых протекают как физические, так и химические пре
85
вращеНИЯJ объед нены в третью rруппу. На таком же примерно
принципе OCHOBaH и классификация Ван I<ревелена, но им дo
полнительно -учтено ис ходное состояние полимера (раствор, pac '
плав .или твердое вещество). Однако предложенная Ван Кре еле
ном классификация не учитывает ряд существующих меТОДОВ. r
В частности, получение изделий из пенопластов, армирован'":.)
ных материалов и композиционных полимерных материа
лов. Не учитывает она и особенностей переработки peaKTO
пластов.
спользуя принцип объединения технолоrических процессов
в rруппу Мак Келви и расширяя схему Ван Кревелена, можно
более детально классифицировать все существующ е методы с уче..
том исходноrо состояния полимерных матер алов, их состава,
.а также- разновидностей физико химичес]{их процессов, протека
ющих при формообразовании изделий (рис. 4.1L1 В первую rруппу
объединены такие методы, как экструзия, каландрование, литье
под давлением, получение пустотелых изделий, поскольку, в про
цессе формообразования изделия протекают одинаковые физи
ческие превращения. Формообразование изделий в данном случае
осуществляется за счет деформации полимера, находящеrося
в вязкотекучем состоянии, с последующим охлаждением расплава
Все эти процессы описываются закономерностями течения ненью
тоновских вязкоупруrих жидкостей, а также кристаллизацией или
теклованием полиr,fеров. В качестве исходноrо сырья использу
ются rранулированные композиции на основе термопластичных
ло имеров, однако для' экструзии и каландрования допускается
применение порошкообразных композиций после cyxoro смешен я
или расплавов после вальцевания. .
Вторая rруппа методов переработки (ротационное формование,
. напыление, окунание, спекание) имеет общие диффузионно адrе
зионные процессы. В данном случае изделия изrотовЛяются пре
имущественно из порошкообразной массы или пасты с последующим
спеканием. В самостоятельные rpYnnbI объединены такие TeXHO
лоrические процессы, как получение изделий из раствора (полив
пленок, формование волокна, шпрединrование), изrотовление из
делий вспениванием полимерных' композиций, а также полимери
зацией мономера или жидкоrо форполимера в формах.
Для всех процессов последней пятой rруппы характерны об
Щие закономерности протекания реакций полимеризации. или
поликонденсации. Мономер смешивают с инициатором или KaTa
лизатором, заливают в жидком виде в форму, rде вследствие
химической реакции происходит образование полимера. Методом
полимеризации мономеров в формах получают листовые матери
алы, а также' изделия различной конфиrурации, например, из
ПОJIиметилметакрилата и капролона. Такими метода1\1И, Ka:J{ ориен
тация, пневмоваКУУМФОРl\fование и штампование перерабатыв?ют
преимущественно ..lIистовые и пленочные материалы в высокоэлас
тическом состоянии, которые получают каландрованием или эк
струзией. Для этих методов характерна деформация полимера при
86
..
о'
t:
:s:
Со.
Е-
,
)S :i
Q) о s :с
s m с:: )S со.
со ж s Q) са s ф Q) с)
ж Q) m с:: со c:t О с:: s
Q) s m о ж м а: ж :С.
О S ж О t: Q) s о tt со Q) I!;
а: с:: ж Q) Q) о s х с:: м со о s Q
Q) о -&
s о m s с:: s Q) с:: ж \о s :J: с-
м m m ж m ж s, О Q) ф о о со .D О Q)
> о со са ж -& s s :t m со ж :r: х m с:: >(',
Q) со tt ж ж Q) .D :а
о, m со Q) о Q) .D О а: m
... s c:t О с:: Q) со со с:: Q) L. с:: t: Ж -е s со =
ж > ж t: S S
U c:t О u .D О Ж :r: =I c:t
со rc; t: U t: :т- ф > Q) х s -е Q) CI) ф са :с
с') m с:: .D Q) со ж t: S со c:t О .s. ж о cw) c:t ...
m 'т' о
О со о') Q) :r: о u О ж Q) а. ro Q) ж s u-
.D с: О t: t:
... s Q) t: m ж-
а. =1 с:: с: u О Q)
s О Q)
О со со 3 Q) m s .D с:
с::; s (J Q
е ... о о u Q) s ....
о ... 9 ж Q) .с со с:: s :s
а.. о Q) .... ... о с:; со.
L. '7 S О
cw) > с:: а. с:: Е-
S с::
о CI)
с:
':
:с
Q>.
t::(
.
tr:.
::
Q) =
s 8=;.
ж =
са Q) Q
m Е-
о S ф о
а. ж S ф '-
S' Q) Х S tf)
.с: 3 Q) х =
>- Q) 3 Q)
ж Q) 3 a:t
са U Q) Q
а. U t(
L U о
.
:s
а:
::
::!
. I
2 s
> са s =
s о-ш а.с: 0&
с:: :sca а. \о Q) ==
Q) :1'\0 ф О ... s . u
... о со с;Оо u
s s О а.ш sQ)
U -&c:t s о о a. t;
со s с:: с:: cw)
c:to) О фs
о :: с:: c:
:1 og ......
%0-
00
-& u
::
с.
87
"
со )S
а:
со ... а: Q) S m
1:- о со со с: о
t m со' \о s 0)....
Q) :s: ro со u ... ж c:t:z:
а: s > Q) .... с:: а. Q) о со м (1)
S 1: > S со Q) а. \о 7\0 m S
=I c:t са s со s
са ж О со Q)
со О .... со о ж Q) с::
.... m со со О U са \о с::
ж О m m M
с:: О О Q) о .0 м
Q) с::[ u
s Q) \os
са m .... u
О .... Q) о
3 ж-&
с::
растяжении, процессы рекристаллизации и ориентации, поэтому
.они объединены в шестую rруппу.
Изделия, полученные различными методами, подверrают дo
работ :е: механической и термической обработке, декоративной
отделке, сварке, склеиванию и т. д. Все эти виды обработки осно-
.ваны на различных физических или химических процессах и
MorYT быть объединены в одну rруппу лишь условно как отделоч-
ные операции. .
Аналоrично составлена классификация методов переработки
'термореактивных материалов (рис. 4.2). В данном случае изrо
'товление изделий может осуществляться из композиционных
пресс-метериалов или из отдельных компоненто'в (жидких поли-
меров, наполнителей, армирующих материалов).
Во всех методах VII rруппы формообразование изделия (при-
дание композиции необходимой конфиrурации) осуществляется
за счет сдвиrовоrо течения пресс-материала, находящеrося в вяз-
котекучем состоянии, с последующим отверждением связующеrо
'и переходом ero в неплавкое и нерастворимое состояние. Данные
процессы объединены в одну rруппу, поскольку имеют общие фи
зико-химические закономерности: вязкое течение неньютоновской
жидкости и химическая реакция отверждения связующеrо.
В самостоятельную rруппу объединены такие методы, как
контактное формование, прессование стеклотекстолита и rетинак
'са, формование намоткой и т. д. В этих методах формообразование
изделий осуществляется в результате придания определенной
конфиrурации армирующим материалам, пропитанным жидкими
связующими, и последующеrо отверждения. Можно применять
и пропитку армирующих материалов полимером после укладки
их в форму. Во всех этих методах происходит течение вязкой жид-
.КОСТИ через пористый слой (стеклоткань, бумаrу, стекловолокни
-стую массу) и химическая реакция отверждения связующеrо.
В десятую rруппу включены методы, предназначенные для
изrотовления изделий из вспенивающихся термореактивных ком-
позиций. Характерной особенностью этих методов является то,
что процесс порообразования и химическая реакция отверждения
протекают одновременно. ,
Изделия, изrотовленные из термореактивных материалов,
также подверrают дополнительной обработке, однако она He
колько отличается от обработки деталей из термопластов, что
должно быть учтено при описании технолоrическоrо про
цесса. .
Представленная . классификация, вероятно, не лишена He .
достатков, однако использование ее в значительной степени облеr
чает методическое распределение материала для различных тех-
нолоrических процессов по rлавам в определенной последователь-
ности. Из этой классификации следует, что теоретические основы
процессов целесообразнее рассматривать для rрупп методов с уче..
том их физико-химических закономерностей, а затем описывать
технолоrию.
88
Q)
о
:t Q)
:z: s
о ж
s со
u m
u о
Q) u
а. u
С: Q)
а.
о с:
со )S
а: а: s rD
... tU tU са Q) с: о
о :z: ct s cu ...
\о U c:t
со ... m ... ж ж
Q) о s со с') cu
а. , ... о m s
\о S \о tU \о S
О :z: со со со cu
О а. а. а. Q) с:
со О с:
х \о \о а. с')
а. Q) о Q) о CJ, с')
Q) :2 с:{ s
.... CJ
Q)
Q) S
О ж
со со
ф m
о
... u
S u
с
со
...
Q)
в
со u
rD со
О ж Q)
u s ...
u ... О
Q) Q) С:
Q. L.
С:: Q)
...
u
I )S
О S
а. С:
С: Q)
Q) c:t
s с')
ж s
со )(
m :i
о ж
а. с::
о S
е-&
.
Q)
с:(
с') )S
S О
Q)
s ...
ж О
со
m со
о :z:
)S
а. s
о
9- ...
Q) Q)
о s
ж ж
... са
m
со о
...
:I:. а.
о о
.g.
rD
О
Q)
о s
С: :z:
'8
:z: ПJ...
Q) со u
С: c:tca
Q) с::
s о с:
Х C:
фф
о C:
u s
g r::
а.
t:
Q)
s
ж
Q)
3
Q)
u
.
u
Q)
rD
Q)
а.
c:t
......
:i
Q.---:
со а.
m c:t
S
со ...
... u
S > Q)
'8
о а: со
.... со
ёQ z
:х:
c:t
о Q)
t: S
Q) ж
Q)
... с::
S
::::::; c:t
m
о
С:
со
s
а
Q)
...
со
I
U
U
Q)
а.
С:
,
S Q)
... s
Q) ж
С: со
\о m
со О
.... а.
I
s' Q)
С: S
> :z:
ж са
са rD
а. о
L. а.
а)
ж
m Q)
s S
... :r
а. с')
о ,а:
m
а. u
Q)
....
со
Q) а
S Q)
Ж-В
со s
rD 3
о о
с::
а.
о Q)
е ...
u
ш
со
...
s
с
8.
С::
:а ..-...
:z: са
.. со L.
.... со
s ...
:r ..... >
2 \о
>:i ..
Q С: О
S со ж
s
а. а. о
« а
со rD
.Q
С:
Q)
...
S
а.
о
m
...
u
со
о..
S
С:
-
со
rD
О
с')
со
а.
\о
о
О
а.
о
С::
"\
.
а.
Q.
::
(ее
СФ
:s
:а:
=
Q..
:s
::
I:t
о
с:
:а
=
JQ
::
:d.
Q.
()
:s
Q.
(ое
('1)
=,
::
:f
о:
::
=
со
()
(ее
()
'--
('1)
=-
JQ
(),
t::(
()
foo
Q.
:s
tII:
=-
::r
=
::
08-
==
u
u
=
.
OII:!'
..
u
::
а..
8
.4.2. СМЕШЕНИЕ
Смешение это технолоrический процесс, применяемый для
ведения в полимер добавок, целенаправленно изменяющих
lero свойства, и rомоrенизации композиции. Перед изrотовлением
U ' \
изделии в ПОЛИ lеры, как правило, вводят стабилизаторы, краси:'"
'тели, пластификаторы, наполнители, вспенивающие компонентыl
'И друrие 'добавки, которые необходимо равномерно распределить
'в массе полимера, т. е.' произвести смешение. Смешение осущест
вляется преИ lущественно в несколько стадий. Сначала происходит,
"распределение компонентов на макроуровне при смешении cы
'пучих материалов или перемешивании твердых частиц с жидкостью.
На последующих стадиях смешение. протекает в расплаве, что,
-обеспечивает получение более однородной массы на микроуровне.
мешение применяется не только для достижения paBHoMepHoro..
распределения компонентов и получения изотропной массы, но
'И с целью изменения физическоrо состояния смешиваемых компо-
'нентов (растворение, плавление) и обеспечения протекания хими-
'ческой реакции (перемеши.вание инициатора с мономером или
'отвердителя с полимером и т. д.).
В зависимости от исходноrо состояния компонентов разли
'чают следующие виды смешения:
1) смешение сыпучих веществ, происходящее вследствие пе
ремещения частиц под действием на систему механических сил
или сжатоrо воздуха (создание псевдоожиженноrо слоя);
2) смешение сыпучих и жидких веществ, осуществляемое при
'механическом воздействии; .
3) смешение жидкостей, протекающее в результате cOBMecTHoro,.
..действия молекулярной диффузии и механических сил; I
4) смешение полимеров в вязкотекучем состоянии, осуществля",
..емое при механическом воздействии.
Кроме Toro, процессы смешения подразделяются на п.ериодиче '
-ские и непрерывные, однако во всех случаях смешение является,
результатом воздействия механических сил на компоненты Ha
ходящиеся в рабочем объеме смесителя. .
С теоретическими основами процесса смешения 'студенты зна 1
I
I{ОМЯТСЯ ,в курсе «Процессы И аппараты химических производств»,.
ПОЭТО lУ здесь мы рассмотрим только особенности см шения поли
мерных композиций. ']
Смешение сыпучих веществ. Данный вид смешения приме-
няется при окрашивании полимера, коrда к бесцветному rранули-
рованному или порошкообразному полимеру добавляется OKpa .
тенныЙ ПОЛИ lер. В некоторых случаях в полимер вводят пиr
мент, опудривая rранулы полимера пор<?шком пиrмента, но при
'этом не достиrается paBHoMepHQe распределение пиrмента и Tpe",
буется последующее смеIltение на вальцах или в экструдер,!х. Cy
'хое смешение обычнu является первой стадией введения в полимер(
апслнителей или друrих твердых компонентов, а также вторич
Horo сырья (НЗfvlельченных отходов производства изделии). i
."90
а 5 6 z .о
( * -- -- (
7f1 W
m т\
"
Рис. 4.3. Схемы барабанных смесителей:
а ro ризонтальный ЦИЛИНДрический; б цилиндрический, наклоненный к оси враще.
ния; 8 биконический вертикальный; 2 бицилиндрический или V образный; д
тетраэдрический.
r
Процесс смешения обычно производится в барабанных смеси
тел,ЯХ (рис. 4.3),. При вращении барабана компоненты перемеши
ваются за счет циркуляции сыпучеrо l\1атеризла. Под действием
центростремительных сил частицы прижимаются к поверхности
барабана и поднимаются на некоторую высоту, а затем пада ют
вниз, вследствие чеrо достиrается взаимное перемещение компо
нентов. Данный способ, несмотря на простоту, обеспечивает дo
статочно хорошее смешение, однако процесс длителен и сравни..
тельно энерrоемок. Для интенсификации процесса прим няют
смесители с мешалками. Под действием лопастей мешалок дости
rается вращение частиц материала и взаимное перемещение их
в объеме смесителя, что позволяет быстро получить однородную
c fecь. Х'о о ее смещение обеспечивается в пне в. атических CMe
lir l!,,5,I.X - рис. .осле заrрузки смешиваемы I x компонентов
в 'копус 1 через патрубки под решетку 2 подается сжатый воздух,
част.!iЦЫ переходят в псевдоожиженное состояние, и происходит
интенсивное перемешивание компонентов.
Процесс, является непрерывным, так как через боковые па
трубки можно непрерывно подавать компоненты и отводить 'roTo
вую смесь. Для интенсификации смешения предусматривается-
дополнительный ввод сжатоrо воздуха в трубу эрлифта. HeДOC1;aT
ком данноrо процесса является неоБХОДИl\IОСТЬ очист'Ки выходящеrо.
воздуха оТ частиц смешиваемых компонен-
'тов, для чеrо устанавливаются циклоны и
фильтры.
Для количественноrо описания rnpouecca смеше-
ния используют метод статистическоrо анализа. При
Достаточно хорошем смешении разброс значений KOH
центраций подчиняется биномиальному закону pac
пределения. Это означает, что вероятность Р (х) при
сутствия в отобранной пробе х частиц дисперrируемой
фазы равна плотности биномиальноrо pacnpeдe
.'Iения:
Р ) N ! 'ь N b
(х == Ь ! (N Ь) ! g (1 g) о
(4.1)
rAe N число частиц компонентов, содержащихся
в пробе; Ь число частиц вводимоrо компонента'
,
g доля ВВОДимоrо компонента в общем объеме СМеси.
Рис. 4.4. Пневматический CMeCIITeJlb:
1 корпус; 2 решетка; 3 труба эрлифта.
/( tpl1J16mP!J .
....
&'0':)-0
t::sC::;;
t:S
...:
.
C;:)CU
t::s
C;:)
Q I
,
o
с;:)
t
Оозоух
cr:
.о,
с;) U"
e:
.U
91:
Для оценки смешения в качестве критерия используется также коэффициент
неоднородности 1'с (в %):
УС== I U V n 1 А (С! С)2 (4.2)
rде n число проб; Cl концентрация вводимоrо компонента в i-й пробе;
С концентрация зтоrо же компонента при идеальном смешении.
При высоком качестве смешения V С ---i- о.
\
Смешение сыпучих и жидких компонентов. В качестве жидких
компонентов к полимерам добавляют пластификаторы, стабили .
заторы, растворители, красители или перечисленные добавки,
приrотовленные в виде пасты. В том случае, если компонентов
жидкой фазы очень мало, полимер добавляют небольшими пор
циями, проводят последовательное смешение до получения OДHO
родной массы. При приrотовлении растворов обычно раствори
-тель, или пластификатор добавляют к полимеру по частям: BHa
чал вливают 1/з 2/з жидкости и перемешивают, а затем добавляют
остальную часть и перемешивают окончательно.
, При введении в порошкообразный или r.ранулированный' по
лимер жидких компонентов вначале возможно слипание массы
и прилипание ее к поверхности смесителя. Чтобы исключить
это, смешение проводят в лопастны.х смесителях. За счет движения
;1I0пастей масса пере ещается в пространстве и соскабливается со
стенок смесителя. При этом обеспечивается равномерное ,взаим
ное распределение жидкой и твердой фаз. Как правило, такое сме-
шение осуществляется в несколько стадий: например, сначалз xo
лодное смешение, а затем с подоrревом массы; можно последо
вательно использовать различные смесители.
Смешение полимеров в вязкотекучем состоян.и . Наиболее
равномерное распределение компонентов достиrается при смеше
. нИИ полимеров в вязкотекучем состоянии, т. е. при температурах
'ВЫШе темпер.атуры текучести. При этом процесс может проводиться
как периодическим, так и непрерывным методом.
Наиболее распространенным периодическим методом смешения
является вальцевание, коrда rомоrенизация достиrается за счет
MHoroKpaTHoro пропускания массы через зазор между враща щи
мися валками. Валки располаrаются параллельно друr друrу
и вращаются в противоположные стороны с различной скоростью.
Отношение 'окружных скоростей валков называют ФРИК-!J.ией...
Вследствие прилипания расплава к поверхности валков про
.исходит втяrивание ero в межвалковый зазор. По ходу движения
расплава зазор между валками уменьшается. ПОЭТОlvlУ движение
расплава происходит как бы с подпором. Через широкий зазор
между валками массы втяrивается больше, чем пропускается в уз
Кой части. Поэтому возникает изБЫТОЧl!оедавление и масса в центре
потока начинает течь в обратную сторону (рис. 4.5). ВслеДС,твие
избыточноrо давления, Т. е. при наличии rрадиента давленияdр.'dх,
возникает сдвиrовое течение, которое накладывается на поступа
. Т ,Льное движение расплава, обусловленное движение f валкоВ., l(aK
92
рис. 4.5. Схема течения расплава и распределения
.ца8J1ения в зазоре I\lежду валкамИ.
х
видно из рис. 4.5, вначале давление
возрцстает, а затем, достиrнув макси
мальноrо значения, начинает YMeHЬ
шаться. Следовательно, rрадиент давле
ния при переходе через точку Рманс
меняет знак. На входе в межвалковый р
зазор давление меньше, чем в самом
зазоре, поэтому масса внутри слоя
'течет в обратную сторону, вследствие
чеrо между валками возникают два О
циркуляционных вихря, обеспечива..
ющих перемешивание массы. Эпюра распределения скорости
по сечению и траектория движения расплава на входе в валки
показаны на рис. 4.5. На выходе из валков rрадиент давления
меняет знак, поэтому скорость поступательноrо и сдвиrовоrо Te
чения складываются. Эпюра скорости приобретает форму трапеции
с выпуклостью в средней части. Сдвиrовое течение возникает также
за счет разности частот вращения валков, т. е. зависит от фрик
ции. Чем больше фрикция и чем меньше зазор между валками,
тем больше скорость сдвиrа.
Таким образом, скорость сдви а в любом фиксированном ce
чении зазора равна:
== R (002 (01) + ( dp ) 1!n ( L ) l!n
dy h (х) dx k
.
(4.3)
I
rде 001 J1 002 уrловые скорости валков; h (х) зазор между валками по коорди"
aтe х; у координата по rлубине зазора; k и n коэффициенты реолоrиче..
CKoro уравнения.
. .
Циркуляционные вихри, возникающие на входе, и сдвиrовое
течение в зазоре между ва.пками обусловливают перемещен е
расплава и смешение компонентов только в плоскости ху. Для
получения однородной массы во всем объеме периодически вруч
ную или С помощью автоматических устройств осуществляют под
резку .расплава на валке и смещение ero по ширине валков. Для
ИН!fенсификации смешения в межвалковом зазоре устанавливают
дополни:тельные валки или вводят в зону противотока клин. Это
позволяет сместить ЦИРI\:У..ТIЯЦИОННУЮ зону расплава в область
малых зазоров между валками и повысить скорость сдвиrа.
НеДОf7QТК t1: метода смешения на вальцах является значитель-
ая TV ;L:{OeMKocTb процесса, а также сильное термоокисление по
лиме в ледствие длительноrо контакта расплава с кислородом
возд'l.Х а. ,.'
Смеше ие компонентов в вязкотекучем состоянии' можно
,также проводить в закрытых смеситеL'lЯХ pOTopHoro типа или
с помощ ю экструдеров. Для получения композиционных поли
мерных Мilтериалов обычно используют OДHO или двухшнековые
arperaTbI,,, Т I\же ди ковые экстру деры.
93
4.3. rРАНУЛИРОВАНИЕ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Композиции, полученные смешением, перед изrотовлением
изделий обьtчно подверr<;\ют rранулированию. rранулирование
u u
это превращение полимера в сыпучии зернистыи продукт, состоя-
щий из однородных по размеру частиц. rранулы MorYT иметь
форму цилиндра, шара, чечевицы, куба или прямоуrольной пла-
стинки. Но в одной партии форма rрану;л и их размеры должны
быть одинаковыми. Размеры rранул влияют на насыпную плот-
ность полимера и задаются при rранулировании в зависимости
от метода переработки полимера. 'Так, для литья под давлением
на машинах с малой rлубиной нарезки шнека диаметр rранул
должен быть 1,5 3 мм, а на машинах со шнеками с большой rлу"
биной канала 2 5 мм. '
Метод rранулирования выбирается в зависимости от требуемой
формы rранул с учетом вязкости расплава. Обычно rранулы ци
линдрической или чечевицеобразной формы' из высоковязких
полимеров изrотавливают методом выдавливания расплава через
цилиндрические отверстия с последующей отрезкой экструдата
на решетке вращающимся ножо '.I ё " 41» . Расплав под дейст
вием давления, создаваемоrо в'шнековом или дисковом экструдере,
продавливается через отверстия решетки 4 в виде жrутов, которые
разрезаются вращающимся ножом 3. При rорячей резке, коrда
срезаются жrуты в виде расплава, нож должен перемещаться
по торцу решетки без значительноrо зазора... Срезанные части
экструдата подхваты аются струей сжатоrо воздуха и транспор
тируются с' помощью пневмотранспорта в бункер. Охлцждение
rранул при этом осуществляется воздухом за вре fЯ движеllИ,Я их,
от rранулятора до бункера. В некоторых случаях срезанные rpa
нулы охлаждаются на спе,циальном ,вибротранспортере, а затем
заrружаются в бункер. Иноrдадля исключения прилипания rранул
к решетке и ножу в места среза расплава подают струю ВQдяноrо
пара, .а rранулы для быстроrо охлаждения сразу же поrружают
в холодную воду. Однако при )кидкостном охлаждении необхо--
ДИАfа последующая сушка rранул. Диаметр rранул d r , получаемых
при rорячей резке экструдата, зависит от размеров отверстий pe
тетки rранулятора и от коэффициента эластическоrо восстановле--
ния струи расплава:
d r == dрК э (4.4)
1 rде d.p диаметр отверстия решетки; Ка KO
эффи иент эластическоrо во таЯОВ1еJIИЯ струи
(см. \раздел 2.8). . ''-,
При получении KOpOTK X rранул,
J деформация торцовой/стенки расплава
несколько меньше, чем пр обычном
94
Рис. 4.6. Устройство ДJlЯ. rраНУJlироваиия ПОJlИ lе'"
ров с rорячей резкой: _
1 цилиндр экструдера; 2 шнек: :з нож; 4
решетка rранулятора; 5 кожух rр)нулятора.
I "
'rечении распЛава. Длина rранул- обычно изменяется в зависи
мости от скорости вращения ножей- и производительности экс
трудера. Для предварите.пьноrо расчета длины rранул Hr можно
исполь овать'уравнение:
, if r' 2У jnmR 2 roK; (4.5)
тде V объемная производительность arperaTa; n число ножей; т число
',отверстий в решетке; R радиус отверстия решетки; ro уrловая скорость
Jlожей.
При rранулировании маловязких полимеров (полиамид) ЭК-
:,ст.рудаt' вначале охлаждают, а затем с помощью тя ущеrо усtрой
.ства направляют в режущее у'стройство. Этот способ более энерrо
'емок, так как резка жrутов в охлажденном состоянии требуе:r дo .
олцительной затраты энерrии. '
При использовании для смешения. экструдеров операции
/смешения и rранулирования обычно совмещаются.
." . Термореактивные полимерные материалы rранулируют при
:комнатной температуре или при наrревани путем механическоrо
уплотнения. Для этоrо применяются зубчатые роторные rрануля
торы или рифленые вальцы. IJресс порошок заполня.ет пазы и при
Ьдавливании'выступов BToporo валка уплотняется.
.\
4.4. ТАБЛЕТИРОВАНИЕ
\ . Таблет рование применяется для 'предварительноrо уплотне
, .нин тер!\fореактивных преСС" lатериалов и получения таблеток оп
ределенных размеров,- конфиrурации и массы. Применение та....
блетирования позволяет уменьшить потери пресс--"материалов при
: транс'портировке и во время заrр'узки 'в пресс"форму з,!. че
" уноса в цехов-ую. вентиляцию. Таблетированные материалы бы
· оСтрее наrреваются, - снижаются ПОlери теплоты в окружающую
tCреду и облеrчается дозирование ..навески при прессовании, так
как исключается взвешивание на рабочих местах. Удельный объем
таблеток меньше, чем у преСС ПОрОlIiка, поэтому объем заrрузочныix
камер пресс-форм уменьшается, снижается их' вес и стоимость.
даление воздуха из пресс материала при таблетировании c
жает выброс п. рош а, при смы ании пресс ф6рМЫ. -'Табjiетирован
Ji.ый - пресс материал наrревается рав.номерно,' что. облеrчает фор
ование изделий и повышает их качес;тво: Трудоемкость таблети
,ро'вания низкая, поэтому общая себестоимость понижается ,в pe
зультате; уменьшения расхода сырья и сокращения цикла "рес..
:сования.'
,".-
Уплотнение ,термореактивных пресс порошков и придание им
:'н.еоБХОДИl"10Й 'конфиrурации производится 'на ротационных ИЛИ...
'.rидравли еских Iтаблетавтоматах.. Таб.летируем:ый материал из
.бун ера за ыпа тся в полость матрицы, rде с ,помощью одноrо или
: двух штоков подверrается сжатию и выдержке под давление ,!
'н те.чени€ заданноrо времени.. Под, действием давлеНП5j пресс
\ орошок }] евращается в уплотненное теJ10.0предеo!lен ых разм:еров
95
1
2
3 If 5
6 7
IY
РIIС. 4.7. Схема таБJlетирования на rидраВJlических таБJlетмашинах:
J ..... подвижная плита; 2 пресс-материал; 3 матрица; 4 и 5 штокИ; 6 ... пор.
шень штока; 7 цилиндр; 8 поршень rИДрОЦИЛИндра.
и конфиrурац и. -Основным фактором, обеспечивающим образо-
вание прочной таблетки, являются силы электростатическоrо при..
тяжения. Кроме Toro, при очень высоких давлениях или при По-
вышенной температуре возможно оплавление полимера: что спо
собствует более прочному соединению частиц и почти полнqму yдa
лению воздушных включений. Схема таблетирования на rидравли"
ческой машине приведена на рис. 4.7. Пресс-материал 2,из. бункера
заполняет полость, образованную матрИ'цей 3, а также IJlтоками 4
и 5 (позиция 1 JY: Затем матрица перемещается вдоль штока 5
поршнем 8 и под действием давлеНI;IЯ, создаваемоrо 'В цилиндре 7 t
происходит уплотнение материала (позиция .,/11). После сжатия
шток 5 отводится вправо, а штоком 4 таблетка выта,,1Jкивается из
матрицы (позиция /V).
Таблетки' из пресс материалов обычно _ изrотац иваются ци
линдрической формы или близкими к форме изд лия. rплотнение
материала про изводится, как правило, при комнатной температуре
и удельном давлении 70 120 МПа. Поскольку ПРОЧНоctь таблеток,
изrотовленных при этом .давлении, достаточно высока, использо
вание б6льших давлений нецелесообразно, так как при этом воз
растает износ машин и увеличиваются энерrе иqеские затраты.
Если таблетирование осуществляют при п'овышенных тем..
пературах (80 100 ОС), то удельное давление снижается.
Таблетирование :волокни"
cTbix пресс. атер ов обычно
ПрОИЗБОДЯТ на rидравлических
таблетавтоматах подоrревом
матрицы или на шнековых arpe
raTax (p't1C'. 4.в).r1Iресс материал
J .
5
6
, ,.'
(
Рис. 4.8. Arpera т для ]l(rУТllрования во-
..'Iокнистых пресс- ма ериа..'IОВ:
1 бункер; 2 цилиндр экструдера;
3 шнек; 4 }!зсадкu; 5 нож; 6
жrут пресс матеI'.Rала; 7 приемныА: бун
кер.
96
Рис. .. . 3аВИСJl}lОСТЬ rра руша!Ощеrо напря-
жения при ИЗfиое (/) 1( ударц..оЙ ВЯЗ"кости (2)
стеК.lоп.цастнка-.. от ДJlИН Ы BOJlOKHa (JleHT).
f . 500
I
подае;тся из бункера 1 или c .. +00
циаЛf;ноrо заr ру зо ноrq устрои- .
. , :; 300
ства цилиндр машины 2 и вслед :1:
ствие вращения шнека 3 переме-
щает я к формующей насадке 4.
Так aK цилиндр HarpeT до 89
90 °CI, происходит плавление свя-
зующеrо. Под действием давле-
ния, I создаваемоrо шнеком, Ma
тери л уплотняется и выдавли ается через отверстие насадки
в виде жrута б, который при опускании ножа 5 разрезается на
стержни определенной длины, ссыпающиеся в бункер 7.1 Heдo
статк'ом' ,данноrо метода является то, что после выхода жrута
I u
из фqрмующеи насадки он становится менее плотным вследствие
частичноrо распрямления волокна. К тому же ,форма таблеток He
сколько нарушается при разрезании их ножом..\
При шприцевании волокнистых пресс материалов происходит
разрушение ар ирующеrо волокна и прочносtь отпрессованных
изделий значительно снижается. При этом, чем интеНСИJЗнее сдви
rOBble деформации возникающие при niприцевании, тем меньше
прочность. Установлено, что прочность изделий зависит от длины
волоtfif- р..Так, npJ! дли е волокна 20 мм проч ость стеклопластика
почтЙJt раза '(рис. .,4.9) ниже, чем при длине волокна 120 мм. .
Поэтому при изrотовлении крупноrабаритных изделий повышен '
u ' ,"-
НОИ прочности волокнистые материалы, как правило, не измель
чают и не шприцу ют. В последнее время уплотнение материала и
подоrрев совмещают с прессованием. Наrретый и уплотненный в
. в шнековом пластика торе материал заrружается непосредственно
, в пресс форму. Это исключает ряд подrотовительных операций и
rtовышает качество изделий. '
200
.Е!'
1 s!
. ; 100
::n .
о
...
'Юо
.о"
300
са
а.:
fI')
2ao
10f) .
>;
20 lIfJ 60 80 100 120
ДАина O.AOKHa, ММ
. 4.5. ETOДЫ НАrРЕВАНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ
!
Вакуум- и. пневмоформов ние, ориентаl!-ИЯ листов и пленок,
сварка, а т.акже прессование термореактивных материалов осуще
ствляются при высоких температурах. Поэтому процесс HarpeBa
ни_ в технолоrии переработitи ппастмасс иrрает важную роль.
з висимости от скорости наrревания изменяется производитель
НОС1'ь arperaToB, а равномерность' наrревания в.пияет на <качество
изд лий. Например,-. при формовании неравномерно HarpeTbIx
лисrов создается неоднородная степень ориентации ма.КрОl\10лекул
и в изделии возникают остаточные напряжения, которые со Bpe
Me eM MorYT вызвать образование микротрещпн .11 разрушение из
делия. -
При прессовании реактопластов, коrда в пресс-форму заrружа
eTC холодный материал, затрудняетсп процесс отвеР)l{дения.
,4\ Бортников В. r.
97
.....UJВследствие плохой теплопроводности/
. . наrревание материала в пресс"форме ПрО 1
исходит преимущественно с поверх
ности, поэтому ПОСЛ.е смыкания пресс
формы необходима выдержка дЛЯ BЫ \'
\
равнивания температуры по толщине слоя материала. Кроме I
Toro, предварительное наrревание улучшает внешний вид и Ka
чество изделий, так как из материалов более полно удаляется влаrа
и леrколетучие соединения, а отверждение подоrретоrо материала
происходит равномерно по всему объему. При этом сокращается
число подпрессовок и уменьшается время выдержки при отвержде
нии. При обеспечении paBHoMepHoro наrревания улучшается Te
кучесть пресс материалов, поэтому прессование осуществляется
при более низком удельном давлении.
Предварительное наrревание полимеров мо)кно производить
в сушильных шкафах, в высокочастотных установках и с помощью
инфракрасных наrревателей. Наrревание в сушильных шкафах
ПРОI!СХОДИТ за счет конвективной теплопередачи от HarpeToro воз
духа, поэтому процесс длителен и не обеспечивает равномерности
температуры. Применяется наrревание в сушильны х шкафах для
полимерных материалов с высокими диэлектрическими xapaKTe
ристиками, коrда невозможно использовать высокочастотный Ha
rpeB. В сушильных шкафах целесообразно также HarpeBaTb про
зрачные листы, для которых инфракрасный HarpeB неэффективен.
При высокочастотном HarpeBe материал помещают в электри
ческое поле, которое создается между двумя обкладками (пласти
нами) конденсзтора (рис. 4.1 О). Пластина 3 закрепляется на KOp
пусе 5 с помощью высоковольтных изоляторов 4 и к ней подводится
ток напряжением 8 10 кВ и частотой 40 и 80 мrц. Наrреваемый
материал преимущественно в виде таблеток 2 помещается на зазем
ленную пластину 1, расположенную на расстоянии Н от пла
стины 3. При подключении пластин к reHepaTopy высокой частоты
между ними создается' электрическое поле с напряженностью:
Рис. 4 .10.:lНаrреватеJlьная камера высокочастотной уста-
новки:
1 rнижняя пластина; 2 таблетка материала; 3
верхняя пластина; 4 изолятор; 5 корпус. I
\ i,
-+
IEI==U/H
(4.6)
rде U подводимое напряж ние, В; Н расстояние между пластинами, м.
Способность материалов к высокочастотному наrреванию за
висит от их строения. Полимеры, имеющие неполярное строение
(полиэтилен, фторопласт, полистирол), практически в высокоча
стотном электрическом поле не наrреваются. Поэтому они исполь
зуются как высокочастотные изоляторы. Полимеры, имеющие по
лярное строение... (пuливинилхлорид, фенолоформальдеrидные по
лимеры и др.), очень быстро MorYT наrреваться с помощью электри
ческоrо поля высокой частоты. Способность полимеров к BЫCOKO
частотному наrреванию можно определить по значению фактора
98
диэлектрических потерь, который равен произведению е tg б.
Чем больше это произведение, тем больше электрической энерrии
переходит в теПЛОВУIО. .
Минеральные наполнители (стекловолокно, асбест) HarpeBa
ются в' электрическом поле в результате ионной поляризации.
ОБЪ,емная плотность тепловоrо потока qv (в Вт/м 3 ) при HarpeBa
нии материалов зависит от частоты тока,. напряженности элек ри-
-ческоrо поля и свойств материала:
qv == 2лfВ8 r tg БЕ2 (4.7)
rде f ,частота тока, rц; 8r относительная диэлектрическая постоянная ма-
териала; tg б TaHreHc уrла диэлектрических потерь; Е напряженность
электрическоrо поля, В/м; в диэлектрическая- проницаемость BaKYYMHoro
пространства в == 8,85 пФ/м.
, ".
Как. видно из уравнения, наиболее сильно на наrревание вли
яет напряженность электрическоrо поля. Однако увеличение Ha
пряженности может привести к пробою материала. Поэтому Ha
пряженность не должна превышать электрической прочности Ma
териала. В современных reHepaTopax обычно напряжение в коле
бательном контуре составляет 8 10 кВ, а напряженность можно
изменять, меняя расстояние м:ежду электродами (пластинами).
Объемная плотность тепловоrо потока Qv (в Вт/м З ) С учетом
потерь теплоты в окружающую среду может быть выражена сле
дующим образом:
qv == ер (ТВ 'Fо)/tпf)т (4.8)
rде с и р удельная теплоемкость и плотность материала; Т н температура
материала после наrревания; То начальная температура материала; t п
время наrревания материала; f)T коэффициент потерь теплоты в окружаю
щую cpeдy
Из уравнений (4.6) (4.8) с учетом коэффициента К Е находим
время наrревания tIi (в с):
18рс р (Т н То) H .109
t п == К2 f б и 2
Е Br tg f)T
(4.9)
rде Н п толщина С..1JОЯ полимера (пластины, таблетки); КВ коэффициент,
учитывающий влияние на напряженность электрическоrо поля воздушноrо за-
зора между полимером и электродом.
Для расчета К Е MO)l{HO использовать уравнение:
б в Y ( t б в )
КЕ == 1 а Н П Br ехр Н П
(4.10)
rде б в воздушный зазор между электродом и таблеткой; a и 6........ постоянные;
для фенольных пресс-материалов а 1,25, ;6 2,23.
f
При расчете времени необходимо учитывать, что е и tg б за-
висят от температуры и частоты переменноrо электрическоrо поли.
Пр использовании высокочастотных установок достаточной
мощности время наrревания термореактивных полимерных ма..
териалов обычно составляет 20 30 с,. а температура материала
. после наrревания 120 130 ос. Несмотря на значительные тепло
вые потери (llT O,4 O,5), применеНI1 высокочастотноrо lIarpe-
.4* 99
ваЦИЯ экономически выrодно, так как. время отверждения реакто-
пластов уменьшается примерно на 20 30 %. Одновременно с этим
со ращается число подпрессовок, , a следовательно, уменьшается
из ос пресс'''форм и rидравлическоrо пресса.'
,Для предварительноrо наrревания пресс материалов на основе
фенолоформальдеrидных полимеров, наполненных древесной му-
кой, применяют устан,?вки с частотой колебательноrо контура
40 мrц, а при введении кварца и слюды 80 мrц. JIистовые
материалы из термопластов подверrают высокочастотно,му Ha
rр ванию при сварке или перед формованием
Для наrревания полимеров с высокими диэлектрическими
характеристиками, таких, как полиэтилен, полистирол, фторо..
п аст, используют инфракрасные лучи (лучистый теплообмен).
Инфракрасные излучатели в виде ламп, трубчатых элементов
\ u
или нихромовых спиралеи при наrревании их до высоких темпе..
ратур излучают электромаrнитные волны. Встречая на своем пути
непрозр чные предметы, эти волны поrлощаются. и лучистая энер"
rи переходит в тепловую. Интенсивность .излучения зависит
rлйвным образом' от температуры излучателя, а количество поrло-
I .
щ нной энерrии от степени черноты HarpeBaeMoro тела, а так..
же от расстояния до излучателя.
Инфракрасный HarpeB неэффективен- при наrревании Пр03
рачных тел (орrаническое стекло, полиэтилентерефталат), так как
БО'льшая часть лучистой энерrии' рассеивается в окружающую
cp дy. Поэтому для их наrревания применяют конвективный теп
лообмен (обдув rорячим воздухом или наrрева ие в сушильных
шкафах). .
При инфракрасном наrревании, если поrлощательная. способ
1
ность и- степень черноты излучателя и полимера примерно равны,
количество теплоты, передаваемой через единицу площади, g
равно:
I
,
rде о постоянная Стефана Больцмана; ТН, Т п температура наrревателя
и 'полимера;' РЗ коэффициент лучеиспускания.
I
F s == 8п Е н/ (8п + Ен 8п€н)
g == oF s (T T )
(4.11)
(4.12) ,
I
rД 8п И 8н коэффициенты поrлощения лучистой энерrии полимера и Harpe-.
вател я.
: При наrревании непрозрачных полимеров, коrда вся лучистая
энерrия на ero. поверхности переходит в тепловую, мо)кем найти
ра пределение температуры по толщине слоя. Если полимер имеет
ф рму пластины, тоrда условия теплопередачи можно описать
уравнением:
дТ д 2 Т
дt == а д у 2
(4.13)
rде t время наrревания; у координата по толщине пластины (толщина
пластины равна б); а коэффициент темпераТУрОПрОВQДНОСТИ, а == А/ре; А
коэффициент теПJlОПрОDОД ноtТИ; Р ПЛQТНОСТh материала; с..... теплоеМКОСТh .
ма РИЗWIа\
100
Считаем, что тепловые потери от конвекции малы, а теплофизи-
ческие характеристики не зависят от температуры. Решение вы-
полi-Iяем при rраничных условиях: начальная температура поли-
мера равна ТО, а rрадиенты температур на наrреваемой и противо-
положной поверхности при одностороннем наrрев,!нии равны:
dT dT g
dY == о при у == о и dY == т при у === б
4
rде g плотность тепловоrо потока.
Решая уравнение (4.13) при рассмотренных условиях, находим:
gб [ at ( зу2 б2 )
T To Т т+ 6б 2
00
2 L ( l)n ( at ) nnу ]
ехр n2л2 cos
n 2 п 2 б 2 б
n==l
(4.14)
rде n число членов уравнения, принимаемое при решении.
Используя данное уравнение, можно определить температуру
при любом значении у. В случае двухстороннеrо наrревания в ка-
честве исходной величины берется половина толщины пластины.,
Широкое применение в технолоrии переработки пластмасс
находит наrревание за счет теплопроводности. Теплопроводность
в нестационарном режиме 'происходит при наrревании полимера
в цилиндре экструдера или литьевой машины, а также при ОХ-!lэ4-
ждении труб, пленок или отформованных изделий.
Рассмотрим теплопроводность в нестационарном режиме для
бесконечной пластины-, коrда ее ширина и длина значительно
больше толщины.
Для одномерноrо тепловоr.о потока без BHYTpeHHero источника
теплоты (теплота кристаллизации или химической реа!<ции отвер-
ждения) уравнение теплопроводности сводится к виду. (4.13).
При одностороннем наrревании пластины толLЦИНОЙ б в качестве
rраничных условий принимаем условие первоrо рода: температура
поли ера на поверхности контакта равна температуре наrреваю-
LЦero тела Т е И сохраняется во времени постоянной (при у ==
== б,' Т == Те). Решение дифференциальноrо уравнения' (4.13)
получаем в виде произведения двух функций, из которых одна
является функцией только t, а друrая только у:
т == т (t, у) == <р (t) '1' (у) (4.15)
подстановки последнеrо вьtpажения в уравнение (4.13)
После
получим:
д<р (t) '1' (у) == а д 2 '1' (у) <р (t) или <р' (t) '1' (у) == a'l''' (у) ip (1)
at д у 2 .
Переменные данноrо уравнения леrко раздеЛЯIОТСЯ и ero мо-
жно записать следующим образом:
«р' (t)/a<p (t) ==z '1''' (y)/'I' (и) == в2
(4.16)
101
Так как полученное равенство должно иметь
решение при любых значениях у и t, то обе ero
части должны БыIьь равны одной и той же по-
стоянной величине, например 82. Для тепловых
процессов, стремящихся к тепловому равнове-
сию, постоянная величина должна иметь отри-
11 дательное значение, тоrда из (4.16) получаем:
<р' (t) + ае 2 ср (t) == О (4.17)
'1',1 (у) + е 2 ,!, (у) == о (4.18)
Решая полученные уравнения при rраничных условиях у
== б, Т Тс; У О, dT/dy == О, после преобразований находим:
,7
1
те
7y,t
10
о
Рис. 4.11. Изменение температуры по ТОJlщине пластины при
Наrревании в условиях нестационарной теПJlопередачи:
1 полимер; 2 HarpeToe тело.
00
Tc Ty,t 2 У
Т с т о == k.J It ( I )n+l cos,... т ехр ( ,...2Fo)
n==l
(4.19)
rде J! == (2п 1) л/2; Fo критерий Фурье, Fo == at/fJ2.
Из анализа уравнения (4.19) следует, что температура по тол-
щине пластины изменяетс,Я так, как показано на рис. 4.11. В на-
чальный момент времени температура полимера равна ТО, а при
контакте с наrревающей поверхностью температура на rранице
раздела становится равной Тс. С увеличением времени наrревания
от t 1 до t n температура Ту, t внутри слоя полимера повышается,
а на rраниде раздела остается постоянной. Однако это в идеальном
случае, а в реальных условиях температура на rранице раздела
несколько отличается от Те И зависит от теплофизических харак-
теристик полимера и HarpeToro тела.
Средняя температура по толщин.е пластины для рассматривае-
l\1:oro случая равна:
()
1 J
т t == Т т (у, t) dy
о
Используя уравнение (4.19), получаем:
00
2 ( l)п+l
T t==Tc (Tc To) k.J 2 exp( ,...2Fo)
n==l
(4.20)
Аналоrичным образом решаются уравнения в неизотермиче
ском ре име теплопередачи при протекании в полимере тепловых
продессов, например при кристаллизации или отверждении термо-
реакт,ИВНЫХ материалов. Однако в этом случае исходное уравнение
имеет вид:
дТ д 2 Т Q
дt == а д у 2 + рС р
(4.21)
rде Q теплота кристаллизации или отверждения, отнесенная к единице объема
полимера.
102
r лава 5
изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ,ИЗ ПЛАСТМАСС
МЕТОДОМ ЭКСТР УЗ И И
Процесс экструзии заключается в непрерывном выдавливании
расплава полимера через формующую rоловку, пр идании ему
необходимой конфиrурации и последующем охлаждении изделия.
Течение расплава через формующие rоловки происходит под дей-
ствием давления, которое создается шнековым или дисковым
экструдеро Экструдер (экструзионная машина) должен обеспе-
чивать передвижение полимера вдоль цилиндра, ero плавление и
rомоrенизацию, а также создание в цилиндре машины rидростати-
ческоrо давления. LМетодом экструзии изrотавливаются трубы',
пленки, профили, сетки в основном из .термопластичных поли-
меров полиэтилена, полистирола !Jполикарбонатаl, поливинил-
хлорида и др. Поскольку процесс экструзии осуществляется не"
прерывно, он является наиболее проrрессивным, так как позволяет
производить изделия с небольшими трудовыми и энерrетическими
затратами при незначительных потерях материалов.
При изrотовлени,И изделий методом экструзии в полимерах про-
текают в основном физические процессы, например, переход из
одноrо физическоrо или фазовоrо состояния в друrое. К химиче-
ским процессам, протекающим при экстр уз ии, можно ОТlJести тер-
мическую и механическую деструкцию полимеров, обусловленную
соответственно высокими температурами и большими сд иrовыми
напряжениями, возникающими при течении расплава полимера
в рабочих узлах экстру дера и формующей rоловке. При обеспе-
чении определенных технолоrических параметров эти химические
процессы MorYT быть сведены к минимуму или полностью исклю-
чены.
В зависимости от характера процессов, протекающих в экстру-
дере, а также от физическоrо состояния полимера внутри цилиндра
в шнековых (червячных) экструзионных машинах обычно выделяют
.три рабочие зоны: заrрузки, плавления и дозирования. Такое раз'"
деление носит несколько условный характер, поскольку OTCY
ствуют четкие rраницы раздела; например, плавление полимера
начинается в зоне заrрузки, а заканчивается в зоне дозирования.
Тем не менее в суще твующих конструкциях машин имеется reo-
метрическое разделение на зоны, обусловленное размерами шнека.
Истинную rраницу зон в зависимости от состояния полимера Mcr
жно установить экспериментально или математическими расчетами
с учетом конкретных условий работы arperaTa.
За зону заrрузки оБЫЧНQ принимают длину шнека от заrрузоч-
Horo отверстия до места появления слоя расплава на поверхности
цилиндра или шнека. Зона плавления это участок шнека от
начала плавления до полноrо расплавления слоя rранул или не-
полноrо плавления, но разр шения оставшеrQСЯ твердоrо слоя rpa-
нул на части, распределения их в расплаве и перехода на движение
103
в результате вязкоrо течения. В зоне дозирования происходит
окончательное плавление оставшихся частиц, выравнивание тем-
пературы расплава полимера по сечению и ero rомоrенизация,
т. е. frщательное перемешивание .расплава и придание- ему одно-.
родных свойств за счет сдвиrовых деформаций вязкоrо течения
в канала:?{ шнека.
При использовании дисковых экстру деров полимер в виде rpa-
нул или порошка поступает в зазор между вращающимся и He
подвижным дисками и плавится, блаrодаря выделению теплоты
трения. Поскольку расплав полимера является вязкоупруrой жид-
костью, то при вращении диска в расплаве возникают нормальные
напряжения и создается давление, под действием KOToporo про-
исходит выд вливание полимер через формующую rоловку.
5.1. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ПОЛИМЕРА В ШНЕКОВОМ
ЭКСТРУДЕРЕ
5.1.1. Движение полимера в зоне заrрузки .
В зону питания полимер поступает из' бункера маши"ны в виде
порошка, rранул или ленты, захватывается нарезкой шнека и
перемещается вдоль цилиндра. Движение полимера, находящеrQСЯ
в .твердом сос оянии, обусловлено разностью крутящих моментов,
возникающих от сил трения между поверхностью шнека и поли"
мером и поверхностью цилиндра и полимером. При этом для пе-
ремещения полимера необходимо, чтобы крутящий момент от
действия силы трения на поверхности цилиндра был больше,
чем на поверхности шнека. Это условие обеспечивается, например,
изменением температуры цилиндра или шнека в результате чеrо
меняются коэффициенты трения. Как видно из рис. 5.1, вначале
с ростом темпераl'Ур I коэффициент трения повышается, а выше
температуры плавления полимера понижается, что можно объяс--
нить появлением пристенноrо вязкоrо течения расплава и умень-
шением сил трения. Поэтому для достижения максимальной раз"
ности крутящих моментов сил трения температура поверхности.
цилиндра должна быть близкой к температуре плавления поли"
мера, а температура шнека Т UI на 30 40 ос ниже температуры
поверхности цилиндра Т Ц. ДЛЯ этоrо цилиндр наrревается,
а внутрь шнека подается охлаждающая вода.
При правильно выбранном технолоrическом реЖJ:iме стенки
цилиндра задерживают вращение rранул полимера, которые шне'-
ком перемещаются вдоль оси. 'По мере продвижения под действием
возникающеrо давления rранулы уплотняются и перемещаются
в виде твердоrо слоя/"(винтовой пробки) без пересыпания в канале
шнека. Поскольку твердый слой частично проскальзывает отно-
сительно поверхности цилиндра и шнека, ТД движение ero проис
ходит по винтовой линии относительно оси вращения.
Казалось бы, что чем сильнее охлажден шнек, тем ниже коэф-
фициент трения полимера на ero поверхности, тем выше разность
104
t.
1,00
i
o,7
о
t\)
5 О,'" ;::
са
:с
..е
* О,а
ЗО '10 50 60
Температура, ос
0,50
0,25
Рис. 5.1. Зависимость коэффициента трения f ПОJlИЭТИJlена низкой (/) и высокой (2)
ПJlОТНОСТИ от темпеР.атуры поверхности.
Рис. 5.2. Зависимость удеJlЬНОЙ мощности N (/) н ПРОИЗВОДИТeJlЬНОСТИ Q (2) 8КСТРУ-
дера от температуры воды, выходящей из шнека.
крутящих моментов и тем' лучше происходит движение полимера.
Однако при очень сильном охлаждении шнека замедляется про
цесс плавления и rомоrенизации полимера --в последующих зонах,
а это вызывает снижение производительности и повышение уделЬ"
ной мощносrи (рис. 5.2).
Для нахождения оптимальной температуры шнека и цилиндра
при расчетах необходимо учитывать как-изменение коэффициентов
трения, так и скорость плавления rранул. На значения коэффи-
циентов трения влияет также чистота обработки поверхности
шнека и цилиндра. Для Toro чтобы уменьшить силы трен я между
полимером и шнеком, поверхность последнеrо полируют до дости-.
жения десятоrо или двенадцатоrо класса чистоты обработки , а
поверхность внутри цилиндра должна иметь восьмой класс чисто.
ты. В некоторых случаях для увеличения сил трения между поли-
мером и цилиндром на внутренней поверхности _ цилиндра делают
продольные или винтовые канавки. Это способствует увеличению
производительности машины и улучшает стабильность ее работы.
Рассмотрим закономерность движения полимера п зоне заrруз"
ки экструдера с радиусами цилиндра R з и шнека Rl. Шнек имеет
однозаходную нарезку с шаrом винтовой линии t и уrлом подъема q>
(рис. 5.3). При вращении шнека и трении полимера о ero поверх-
.S
ц
,
Рис. 5.3. Схема раСПОJlоженияlвекторов сил треНИЯ в ВИНТОвом канале шнека.
105
К I
018
0,6
0,*
(
4220 '10
Рис. 5.4. Зависимость коэффициента передачи давле
ния на боковую поверхность канала для rраНУЛИрО
BaHHoro полиэтилена низкой плотности от температу-
ры и давления.
ность на внутренней цилиндрической
поверхности шнека длиной R 1 d8 воз-
никает сила трения SIU:
SШ == КIРlfшЬRl d8
60 80 100 ос rде Рl rидростатическое давление; К 1
коэффициент передачи давления на цилин
дрическую поверхность шнека;, fш коэффициент трения полимера о no
верхность шнека; Ь ширина канала шнека, Ь == (t е) cos ер; е ширина
выступа нарезки шнека; 8 уrол поворота BOKpyr оси шнека.
Сила трения на поверхности шнека создает изменение крутя"
щеrо момента на величину dМ ш :
dМ ш == SlRl == КIРlfшЬR d8 (5.1)
От трения на поверхности цилиндра возникает сила Sц' кото-
рая вызывает изменение крутящеrо момента на величину. dМ ц :
dМ ц == КIРlfцЬR cos w d8 (5.2)
rде {ц коэффициент трения полимера о поверхность цилиндра; w уrол
между вектором скорости движения rранул и осью винтовоrо канала шнека.
На боковых rранях нарезки шнека на полимер воздействует
крутящий момент, образующийся от сил трения S2 и Sn' возни-
кающих соответственно от действия давления Рl и нормальной
составляющей силы Sц:
(5.3)
Sn == fшSц sin w
Крутящий момент от действия этих сил равен:
dM h == 2К2РlfшR рhз d8 + К1fцРlf шЬRсрRз sin w d8 (5.4)
rде Rcp средний радиус выступов нарезки шнека; К 2 коэффициент nepe
дачи давления на выступ нарезки шнека, Кl 2 К 2 ; h з rлубина канала шнека
в зоне заrрузки.
Коэффициент передачи давления на боковую поверхность шне-
ка в значительной степени зависит от температуры и давл ния
(рис. 5.4). Давление в канале шнека р образуется за счет разности
крутящих моментов всех сил трения и может быть найдено из
уравнения равновесия:
dрЬhзR ср cos ер == dМ ц dМ ш dM h
)
Установлено, что блаrодаря' внутреннему трению rранул
друr о друrа и упруrой деформации полимера прирост давления
по длине канала замедляется. При этом падение давления Рl
является функцией длины канала:
1==pexP( ft 'Фь зtцh l ) (5.6)
rде 11 среднее значение коэффициента трения f == fцfml(jц + fш); 'ф коэф
фициент, учитывающий внутреннее трение rранул; 1 длина шнека вдоль
оси цилиндра.
106
(5.5)
Для удобства расчетов значения Е> целесообразно заменить
длиной шнека:
d8 == dlj Rз tg ер (5.7)
Подставив в уравнение (5.5) значения крутящих моментов из
уравнений (5.1) (5.3) с учетом (5.6) и (5.7), находим
dp == [ Кlfц (Rз cos w fmRcpsin w) fmKIR 2K2fmRcp ] Х
Р hзRср hзRсрRз ЬRз
dl
х sin ер ехр (Ul)
(5.8)
rде
U == 'Фfi (Ь + h)jЬh з sin ер
Проинтеrрировав уравнение (5.8), получаем:
ln р =-" А J e иl dl ==- e иl + Ci
(5.9)
(5.1 О)
rде
А == [ Кlfц (Rз cos w fmRcp sin w) fшК1Ri 2K2fmRcp ] 1
hзRср hзRсрRз ЬRз sin ер
LLля определения постоянной интеrрирования используем
rраничные условия: при l == О, р === Ро (Ро давление на входе
в зону заrрузки).
При свободной заrрузке полимера давление на входе равно
атмосферному. Подставив вместо С 1 === ln РО + А/ и, находим
расчетное давление, создаваемое шнеком длиной l:
. { [l exp ( Ul)] }
Р == ро е 1 (5.11 )
При движении полимера вслеДСТВl-!е диссипации теплоты тре"
ния происходит местное тепловыделение и разоrрев полимера
по поверхностям скольжения. Поскольку коэффициент трения
очень сильно зависит от температуры, расчет давления проводят
с учетом поверхностноrо наrревания полимера, а значение коэф"
фициента трения определяют с учетом максимальной температуры,
возникающей на повеРХНОСТI:f ско ьжения. LLля нахо)кдения ма-
ксимальной температуры полимера на поверхности при сухом тре-
нии Т манс можно воспользоваться уравнением MaMxeroBa и [инз"
бурrа:
2qп V L
Т макс == V + т о
1tt1лпрпсп
rде То температура шнека или цилиндра; qп плотность тепловоrо потока,
передаваеМоrо в слой полимера; L путь движения слоя rранул; ЛП, РП И сп ........
коэффициент теплопроводности, плотность и удельная теплоемкость rранул
полимера; v скорость движения rранул относительно поверхности шнека
или цилиндра.
Плотность тепловоrо потока, передаваемоrо в слой полимера,
зависит от общеrо тепловоrо потока трения, теплофизических
свойств полимера и материала поверхности трения (цилиндра и
шнека):
(5.12)
qп == (1 a) qTp
/
107
rде qTp........ плотность теПЛОБоrо потока трения: (1........ а) ........ коэффициент, учи-
тывающий распределение тепловоrо потока на rранице раздела
1 а, == v лпрп с п /(У Л 2Р2 С 2 + УЛпРпСп)
(5.13)
rде Л2' Р2,. с2..... коэффициент теплопроводности, плотность и удельная тепло
емкость материала цилиндра или шнека.
ПЛОТНОСТID тепловоrо потока, возникающеrо при трении,
равна:
qTp == pjri
(5.14)
При этом для расчета плотности тепловоrо потока трения, вы-
деляющеrос на поверхности шнека, используется скорость пере-
мещения полимера относительно шнека V ш , а на поверхности ци"
линдра 'CKOpOCTЬ V M [см. уравнения (5.19) и (5.20)].
Таким образом, давление, создаваемое внутри канала шнека,
зависит rлавным обр зом от таких технолоrических параметров,
как температура и скорость вращения шнека, а также от чистоты
обработки поверхности шнека и цилиндра. . "-
Поскольку по длине шнека температура и коэффициент трения
постоянно изменяются, расчет давления необходимо осуществлять
последовательным суммированием ero по участкам шнека. По"
этому уравнение (5.11) видоизменяют:
А p exp ( Uli)]
и
Pt+1 == Pi e
(5.15)'
rде Pi давление, найденное для предыдущеrо участка; 1 i. длина расчет-
Horo участка шнека, обычно принимают 1 i == t/2.
Рассмотренные закономерности движения полимера в экстру-
дере справедливы для цилиндров с rладкой внутренней поверх'"
ностью. При На'личии продольных или винтовых канавок (рифле"
ний) расчет проводится с использованием видоизмененной теории
винтовоrо домкрата. В данном случае максимальное. давление,
развиваемое в зоне заrрузки, будет определяться внутренним
трением ме)l{ДУ слоями rранул. При достижении критическоrо
значения давлен.ия происходит проскальзывание слоев rранул.
относительно друr друrа или по поверхности цилиндра и соответ"
ственно снижение производительности зоны заrрузки до значения,
лимитированноrо работой зоны дозирования.
Производительность экструдера для зоны заrрузки может
быть найдена с учетом скорости движения полимера относительно
цилиндра и площади сечения винтовоrо канала.
Как уже было указано ранее, по мере движения rранул или
порошка под дейст ием давления происходит уплотнение MaT
риала, и уже во втором витке шнека он движется в B дe твердоrо
слоя. Таким образом обеспечивается движение rранул по винтовой
линии относительно оси цилиндра со скоростью V M , направленной
к оси канала под уrлом w (рис. 5.5). При вращении с уrловой ско-
108
Рис. 6.8. Векторная AllarpaMMa скоростей 8 зоне
. зarpузки .
ростью ro шнек перемещается отно-
сительно цилиндра с окружной ско"
ростью равной:
иц == roR cp (5.16)
При этом rранулы проскальзы-
вают по винтовой нарезке шнека со
скоростью V ш , поэтому движение
rранул по окружности можно описать
сумму двух векторов:
бм == Vц + V ш
через rеометрическую
(5. 17)
Как видно из рис. 5.5, если V ш == О, то полимер вращается
вместе со шнеком и поступательное движение I:O вдоль оси от-
сутствует. При отсутствии вращательноrо движения полимера
относительно ци индра, например при наличии прqдольных ка"
навок на цилиндре, вектор скорости движения rранул V M наПР,ав"
лен вдоль оси, т. е. w === 90 + ер; при этом достиrается максималь-
ная производительн;ость.
Поскольку векторы скоростей 'V M и V ц ВlJисываются в один
параллелоrрамм, приравняв проекции их на ось z, получаем:
и м == иц sin <p/sln w (5.18)
В этом случае, используя выражение (5.16), имеем
Ом == roR cp sin ep/sin w
(5.19)
Скорость движения полимера относительно поверхности шнека
равна:
V ш :----- ro R 1 COS <р и м cos w
(5.20)
Для расчета производительности используем скорость V O ,
направленную по оси цилиндра:
Vo == roRcp (1 tg <р ctg w) sln <р cos q> (5.21)
Производительность экстр удера в зоне заrРУЗКJi равна ПроИ3r-
ведению площади сечения канала шнека, скорости V o и насыпной
плотности .rранулированноrо полимера PH
J R.
Qз == Рнио J (211' e/tg 'Р) dr (5.22)
R 1
rде е ширина выступа нарезки шнека.
Подставляя значение V o из (5.21) и интеrрируя, получаем:
Qз == Рн [п (R ........ R ) еhз/tg <р] roR cp (1 tg <р ctg w) sin ер cos ер (5.23)
В уравнения (5.10) и (5.23) входит уrол w, которыIй зависит
как от условий экструзии, так и от насыпной плотности полимера.
С учетом одинаковой массовой производительности экструдера
109
в зонах дозирования Qд и заrрузки Qз, используя уравнение (5.23),
находим:
w == arcct g ! [ 1 . v дрр h ] ctg <1' )
рпroRср [11 (R RO t ] sin q> cos q>
(5:24 )
rде V д объемный расход в зоне дозирования; Рр плотность расплава
пол имера.
Как видно из полученных уравнений, производительность
экструдера и создаваемое давление в значительной степени зави-
сят от насыпной плотности rранулированноrо или порошкообраз-
Horo полимера которая в свою очередь является функцией дa
ления и температуры (рис. 5.6). С увеличением температуры проч-
ность и модуль упруrости полимера снижаются, что позволяет
уплотнить rранулы и достиrнуть высокой плотности. Например,
коrда давление достиrает в конце зоны заrрузки 8 10 МПа, rpa-
нулы полиэтилена уплотняются почти полностью, что значитель
но изменяет пористость и теплопроводность движущеrося твердоrо
слоя. ·
Зависимость насыпной плотности от температуры и давления
можно описать уравнением в виде полинома:
n n т т
РН::::: Ь о + b1T + lJ bijTp + cip2
i==l i==l j==l i==1
(5.25)
Поскольку полимер при движении наrревается от стенок ци-
линдра и шнека, в качестве расчетной температуры можно исполь-
зовать среднее интеrральное ее значение по rлубине канала, опре-
деляемое нестационарной теплопроводностью:
[ 8 ( Л h 2 з а 2 t ) ]
T(t) ==TMaHC (Т манс То) 7 ехр
(5.26 )
rде а температуропроводность слоя rранул; То начальная температура
слоя rранул; Т макс максимальная температура на поверхности трения [см.
уравнение (5.12)]; t время дви}кения полимера
от зоны заrрузки до расчетной точки.
р,ке/м 3
800
700
600
;
500
2 q. 5 8 .10 р,мпа.
110
t == li/roRcP (1 tg ер ctg w) sin ер cos ер (5.27)
При расчете температуры необходимо
учитывать также изменение коэффициента
теплопроводности в зависимости от сте-
пени пористости слоя полимера. При
наличии между rранулами воздушных
включений для расчета ко ффициента
Рис. 5.6. Зависимость насыпной ПJlОТНОСТи' rраНУJlИрО:-
BaHHoro ПОJlиэтилена высокой плотности от давления при
раЗJlИЧНЫХ температурах.
теплопроводности слоя rpaHY л "'r можно воспользоваться
внение,М rамильтона и rpoccepa:
'\ '\ Лв+(Кr I)Лп (Кr 1)8r(Лп Лв)
I\.r "'п
ЛВ + (K r 1) лп + 8r (Лп Лв)
ура-
(5.28)
rде ЛП и ЛВ коэффициент теплопроводности полимера и воздуха соответственно;
Kr коэффициент, учитывающий форму rранул, Kr == 3FrlFe (Fr площадь
поверхности rранулы; Ре площадь поверхности сферы, объем которой равен
объему rранулы); 8r пористость слоя rранул, 8r == 1 рп/рп.
. ,
Пористость изменяется в зависимости от давления и темпера
туры:
Er == Во ехр ( Cp)
(fi.29)
rде 80 пористость при атмосферном давлении; С коэффициент, зави ящий
от температуры.
Если пренебречь теплопроводностью воздуха, то коэффициент
теплопроводности слоя rранул полимера может быть найден
по приближенной формуле:
Лr == 2лпрп/(3рп рн) (5.30)
Из анализа полученных уравнений видно, что создаваемое дaB
ление и производительность экструдера в зоне заrрузки в значи
тельной степени зависят от ряда факторов, в первую очередь от
температуры цилиндра и шнека, коэффициента трения и скорости
вращения шнека, а TaK)I{e от теплофизических характеристик
полимера. При колебании этих величин изменяется производи-
тельность экстру дера, что приводит к изменению размеров изде
лий (толщины, труб или пленок). Для повышения стабильности
работы экструдера необходимо обеспечить постоянство коэффи
циентов трения полимера о поверхность цилиндра и шнека, а
также' ликвидировать зависимость их от техполоrических парамет
ров процесса. Наиболее наде)l{НЫЙ способ создания указанных
условий применение цилиндров, на внутренней поверхности
КОТОрЫ,х имеются винтовые или продольные канавки. Винтовые
канавки наносят с уrлом подъема винтовой линии, совпадающим
с вектором скорости V M , т. е. конструктивно обеспечивают строrую
винтовую траекторию д ижения полимера. Уrол нарезки канавок
должен быть равен:
а, == w ер (5.31)
Для достижения лучшеrо сцепления rранул с поверхностью
цилиндра и обеспечения заданноrо уrла движения rранул канавки
нарезают мноrозаходными. Профиль канавки делают прямоуrоль-
ным, трапецеидальным или в виде полуцилиндра с таким расче
том, чтобы в Hero входила половина rранулы полимера. rлубина
канавки по ходу движения rранул обычно уменьшается, и на pac
стоянии 1 == 5D от бункера поверхность цилиндра становится
rладкой.
Как правило, экструзионные машины с винтовыми канавками
\ .
на поверхности цилиндра характеРИЗУLQТСЯ ВЫСОКой производи
тельностью и малым колебанием ее в зависимости от различных
111
факторов. Например, производитель-
ность таких экструдеров при перера-
ботке полиэтилена, поливинилхлорида
2 J '+ и полипропилена в 1 ,5 2 раза выше,
1 S UJ,paO/c чем экструдеров с rладким цилиндром
(рис. 5.7).'.
Расчет давления и производительности экструзионных машин
с винтовой нарезкой в цилиндре значительно упрощается, так как
уrол направления вектора скорости движения rранул можно
принять постоянным и равным уrлу нарезки винтовых канавок.
Находят широкое применение также экструдеры с продоль-
ными канавками в зоне заrрузки, однако в данном случае произ-
водительность повышается почти в 2 раза и в зоне дозирования
нарушается процесс rомоrенизации. Поэтому в таких экстру дерах
необходимо применять специальные шнеки, имеющие смесительные
устройства в зоне дозирования.
Q.10't,xa/c
-
10
8
6
IJ
2
о
Рис. 5.7. Зависимость производительностu зкструде-
ра от уrJlОВОЙ скорости шнека:
1, 2 rладкий цилиндр, шнек 1 == 5D, полиэтилен
низкой плотности, соответственно при 120 и 140 ОС;
3 rладкий цилиндр, шнек 1 == 20D, полиэтилен BЫ
сокой плотности; 4, 5 цилиндр с канавками, 1 ==
== 20D, полиэтилен высокой плотности, COOTBeTCTBeH
но с показателем текучести расплава 0,3 и 0,7 r/l О мин;
6 то же для ПОЛИВИНИЛХJ10ридноrо пластиката. .
5. t .2. Движение полимера в зоне плавления
Процесс перехода полимера в вязкотекучее состояние начин -
ется на входе в зону плавления, коrда вследствие теплоты трения
и контакта материала с rорячей поверхностью появляется слой
расплава. Первоначальное появление расплава на поверхности
шнека или цилиндра зависит от температуры и скорости скольже-
ния материала, а также от возникающеrо давления.
В данном случае наrревание зависит от тепловых потоков, обу-
словленных теплопроводностью и диссипацией энерrии трения.
Обычно температура цилиндра выше, чем температура шнека',
поэтому пленка расплава вначале появляется на поверхности
цилиндра. На входе в зону плавления пленка имеет незначитель"
ную толщину и не срезается нарезкой шнека. Движение материала
происходит за счет течения вязкой жидкости по поверхности
цилиндра и скольжения слоя rранул по поверхности шнека.
Нерасплавившиеся rранулы, уплотненные под действием давле-
ния, движутся так же, как в зоне заrрузки со скоростью V M (см.
рис. 5.5). В зависимости от этой. скорости развивается профиль
скорости вязкоrо течения в пленке расплава. Поскольку объем,
занимаемый rранула fИ, при плавлении уменьшается, шнек в зоне
плавления обычно имеет уменьшающуюся r лубину , чrо обеспечи.
вает постепенное сжатие и уплотнение пористоrо слоя rранул.
Под действием давления расплав частично заполняет воздушные
полости между rранулами, что увелич.ивает коэффициент тепло-
112
проводности И повышает скорость плавления полимера. Измене-
ние давления по длине канала шнека з висит от соотнощения KPy
тящих моментов, возникающих на поверхностях шнека и цилиндра.
Рассмотрим закономерности движения полимера в зоне плав
ления, коrда пленка расплава образована только a поверхно
сти цилиндра. Для данноrо случая силы трения на цилиндри-
ческой поверхности шнека зависят от коэффициента трения rpa
нул полимера и давления, поэтому крутящий момент можно
рассчитать по ураВ,нению (5.1).
Крутящий момент, возникающий от силы вязкоrо течения на
поверхности цилиндра, dМ ц зависит от напряжения сдвиrа 't ц
И равен
dМ ц == 'tцЬR cos w d8
(5.32)
rде Тц напряжение СДВИrа при течении расплава между слоем rранул и ЦИ-'
линдром; остальные обозначения те же, что и в разделе 5.1.1.
от движения слоя rранул в пленке расплава возникает ско-
рость сдвиrа. Поскольку цилиндр неподвижен, а rранулы переме-
щаются со скоростью V M , то для слоя небольшой толщины можно
испол зовать уравнение:
dv z VM
""'T
Тоrда, применяя уравнения (2.27) и (5.19), можем записать:
( 5.33 )
4
b( Т Т )
Тц == КО (roRep sin q>/б sin w)n е ер н
(5.34)
rде Тер средняя температура расплава по толщине пленки, Т К TeMnepa
тура расплава, при которой измеряется коэффициент КО.
Распределение температуры по толщине пленки зависит от
тепловоrо потока, передаваемоrо через стенку цилиндра, и дис-
сипации энерrии ВЯ,зкоrо течения расплава. При переработке и:ри-
сталлизующихся полимеров часть теплоты расходуется на плаg
ление, поэтому температура на rранице раздела фаз равна темпе-
ратуре плавления Т ПЛ. Распределение температуры по толщине
пленки для ламинарноrо режима течения расплава можно описать
уравнением:
Т T + (q1: qp)Y (1 у )+ (Тц Тпл)У ( 5.35 )
у ПЛ Ар Т б
rде Ар коэффициент теплопроводности расплава полимера; Т у текущее
значение температуры по координате у; Т ц температура поверхности цилиндра;
б средняя толщина пленки расплава по ширине канала шнека; qт: тепловой
поток от диссипации энерrии вязкоrо течения; qp тепловой поток, затрачи-
ваемый на повышение температуры расплава.
Для нахождения средней температуры проинтеrрируем данное
уравне ие по толщине пленки:
б
1 J Тц + Т пл
Тер==т Tydy== 2 + J2Ap (q't qp)
о
(5.36)
113
При расчете зоны плавления за первоначальное значение сред-
ней температуры можно принять:
т ер == (Т ц + Т пл )/2 (5.37)
При наличии пленки расплава уравнение (5.4) изменяется и
принимает' вид:
'-...
dM h == 2К2РlfшR рhпл d8 + 'tцЬfшRсрRз sin wdЭ (5.38)
rде h пл rлубина канала шнека в зоне плавления.
Составив уравнение равновесия КРУТЯLЦих моментов с учетом
(5.7), находим изменение давления по длине канала шнека:
Здесь
dp/(A рВ) == dl/ N
(5.39)
А == 'tцЬRз (R cos w fшRср sin w);
В == f ш (K 1 RIb + 2K2R ph); N == R3hbRcp sin <р
Интеrрируя уравнение (5.39), получаем:
In (А Вр) == + C 1
в N
(5.40)
. '
(5.41)
Постоянную интеrрирования находим из условия: 1 == [3;
Р == Рз' (rде Рз давление в конце зоны заrрузки).
Подставив вместо С 1 ero значение, после преобразований на-
ходим:
P== l l А Врз )
В А ехр [ (l lз) J
Так как твердый слой rранул соприкасается с расплавом, то
влиянием BHYTpeHHero трения rранул можно пренебречь, т. е.
коэффициент 'ф в уравнении (5.6) становится равным нулю.
Для определения скорости прироста пленки расплава рас""
мотрим тепловые потоки на поверхности цилиндра, а также между
слоем rранул и расплавом. Продифференцировав уравнение
(5.35), имеем:
(5.42)
dT Ар ( У )
ЛРdY==т(Тц Тпл)+(qт: qр) 1 2б
(5.43)
Плотность тепловоrо потока на внутренней поверхности ци
линдра можно найти, если приравнять правые части уравнения
(5.43) и уравнения теплопроводнос!и при у == б:
Л ц J\fp 1 (
Jr" АТ == (Т ц Т пл ) 2 q,; qp)
Uц у==б u
(5.44)
Тепловые потоки qr: и qp рассчитываем по уравнениям:
q,; -== 'tцVм (5.45)
qp == Срррбvо (Ti i Tt>/2l (5.46)
114
rде Ср и РР удельная теплоемкость и плотность расплава полимера; V o .......
осевая скорость перемещения rранул [см. уравнение (5.21)]; Ti i И Tt TeM
пература на входе и на выходе из расчетноrо участка длиной 1; А ц ....... тепло-
проводность материала цилиндра; б ц толщина стенки цилиндра.
Подобное равенство можно записать для поверхности раздела
слоя rранул и пленки расплава. В данном случае при у о из
уравнения (5.43) имеем:
') dT ( ) + Ар (Т ц ....... т пл )
"р q-r; qp
у у==о u
(5.47)
Распределение температуры по толщине слоя rранул можно
рассчитать по уравнению нестационарной теплопроводности для
неоrраниченной пластины. Используя первый член ряда данноrо
уравнения, запишем:
Т == Т ........ 4 (Т пл Т о) cos ПУ2 ех р ( зt2 )
ty пл n 28 4
Продифференцировав и умножив на Л r , получаем:
'1 dT 2Л r (Т ил То) . ПУ2 ( 1[2 Fo )
/\'r dy == 8 SlП 28 ехр 4
(5.48)
(5.49)
rде Ar теплопроводность слоя rранул; 8 половина толщины слоя rранул;
Fo критерий Фурье; ТО начальная температура слоя rранул.
Fo == al/voS 2 (5.50)
rде а температуропроводность слоя rранул, а == Ar/РиСr [теплофизические
характеристики для слоя rранул HaXGAqT с учетом ero пористости, см. ypaB
нение (5.29)].
Поскольку часть тепловоrо потока, передаваемоrо от слоя
расплава к rранулам, расходуется на плавление полимера, то
с учеТОl\f (5.47) и (5.49) при У2 == S можем- записать:
( )+ Ар(Тц Тпл) 2Лr(Тпл То) ( n 2 Ро ) + I1БQvор
qr; qp б == S ехр 4 1
(5.51)
rде I1б изменение толщины пленки расплава по длине цилиндра; Q ........ теплота
плавления полимера.
Из полученноrо равенства можно определить толщину пленки:
1 [ Ар 2Л r ( 3t2 FO )
I1б === voQp q-r; qp + т (Т ц т пл) ..... s (Т пл Т о) ехр (5.52)
Как видно из полученноrо уравнения, скорость роста пленки
расплава зависит от температуры цилиндра, напряжения сдвиrа
(вязкости полимера), скорости дви)кения и теплофизических
характеристик полимера.
На участке, rде толщина слоя расплава превысит радиаль-
ный зазор между нарезкой шнека и цилиндром б ш , происходит
срезание расп..ТIава и накопление ero у напорной rрани шнека.
Расплав у напорной rрани движется BOKpyr оси шнека и, кроме
Toro, в нем возникают циркуляционные потоки, как показаНQ
115
"
Рис. 5.8. Схема движения rранул и пленки расплава полимера в зоне плавления:
1 расплав полимера; 2 rранулы полимера. '-...
стрелками на рис. 5.8 Циркуляция расплава возникает за счет
rрадиента давления, ПОЯБляющеrося при срезании расплава
с поверхности цилиндра. Поскольку rлубина. канала нарезки
значительно меньше ширины, то циркуляционные вихри распро-
страняются не по всей ширине канала, а пр'имер о на расстояние
1 2h. При этом пленка расплава, находящаяся между цилинд"
ром и слоем rранул, движется, как было рассмотрено ранее. Од"
нако в результате действия rрадиента давления, ВОЗНl1кающеrо
при срезании расплава, и силы Sц происходит дополнительный
сдвиr и скорость потока возрастает, а эпюра скорости становится
выпуклой.
Рассмотрим течение пленки. расплава в изотермических усло"
виях. В данном случае ь,10ЖНО использова'FЬ решение, выполненное
для плоскоrо канала, коrда нижняя пластина движется со ско-
ростью V M , а верхняя неподвижна. По длине зазора действует по"
стоянный rрадиент давления dp/dz == const. Для удобства решения
координатную ось z направим перпендикулярно винтовому а-
налу шнека. Проведя анализ уравнений движения, имеем:
d'tyz == dp == А (5.53)
dy dz
Интеrрируя это выражение, получаем:
't yz == Ау + С 1 (5.54)
Подставив вместо напряжения сдвиrа ero значение из реоло-
rическоrо уравнения состояния (2.4), с учетом (2.]6) имеем:
. i == ( k ) I{n (Ау + Ci)l{n (5.55)
После интеrрирования получаем:
n (Ау + Сl) (l+n)/n + С 2
к 1 / п (1 + п) А
Для определения постоянных интеrрирования используем
rраничные условия: у . б, V z == о; у == о, V z == V M sin w. Под-
ставив вместо у и V z их значения в выражение (5.55) находим:
V z ==
(5.56 )
С 2 === n (Аб + Сl)(1+п)/n
А (1 +п) K 1 / n
(5.57)
116
Постоянная С 1 определяется из равенства:
n [(Аб + C 1 )(1+n)/n ср+n)/n]
== VM sin w
А (1 + n) к 1 / п
(5.58)
rрадиент давления по ширине канала шнека dp/ dz. зависит
от вязкости и количества расплава, срезаемоrо набеrающей на"
порной rранью шнека. Ero можно определить из равенства:
б б
J rJz dy == roRcp J dy (5.59)
о о
Под действием давления, возникающеrо у напорной rрани,
появляется поток утечек через радиальный зазор между выступом
нарезки шнека и цилиндром. На данном участке процесс плавле-
ния принципиально не изменяется; однако при расчете в урав-
нение (5.45) следует подставлять новое значение напряжения
сдвиrа с учетом выражения (5.54):
dp
'( ц == dz б + С 1 (5.60)
.Напряжение сдвиrа у напорной rрани, коrда толщина расплава
невелика (б нr < h), зависит от скорости движения слоя rранул
относительно шнека:
"'th == КО ( wRз cos <р VM COS W ) n e Ь:(Т H T н) (5.61)
бпr
rде биl' толщина расплава у напорной rрани; ТII температура расплава
у напорной rрани нарезки шнека.
Одним из основных параметров, влияющих на скорость плав-
ления, является температура, поэтому ее значение выбирается
с таким расчетом, чтобы выполнялось условие: б ""'. h, (rде
h .......... изменение rлубины канала нарезки шнека на длине l).
Это означает, что уменьшение толщины слоя' rранул должно не"
сколько опережать уменьшение rлубины канала. В противном
случае может произойти заклинивание слоя rранул и про изводи"
тельность экструдера понизится. Поскольку rлубина канала из-
меняется' пропорционально длине шнека, то можно записать:
h == h з 61 (5.62)
Следовательно:
б > 61 (5.63)
Толщина пленки расплава на данном участке зависит от ради'"
альноrо зазора и равна:
б == БR + б/2 (5.64)
ТаkИМ образом, в зоне плавления твердый слой rранул c xpa"
няет движение, аналоrичное дви)кению в зоне заrрузки и, кроме
Toro, ПОЯВЛЯI.9тся два потока течения расплава: в зазоре между ди..
линдром и rранулами, а также около напорной rрани шнеI{а. Под
действием напряжения сдвиrа, озникающеrо на поверхности
117
Рис. 5.9. Схема направления действия векторов СИJl в ка-
иале шнека зон ы плавления.
r слоя, крайние rранулы захватываются
1Ы расплавом и плавятся, вследствие чеrо
ширина твердой частицы полимера умень-
шается, а толщина слоя расплава у на-
порной rрани возрастает. При движении
на слой rранул деЙСТВУЮ1\ силы, показанные на рис. 5.9.
Внешние силы, действующие на материал, Sц и Sk обуслов-
лены вязким течением расплава, а Sш и' sh трением rранул
по поверхности шнека. Крутящий момент действия силы Sц равен:
dМ ц == 't"ц (Ь 'Фl) R cos wd8 (5.65)
rде '1'1 == Б Нr ширина напорной rрани; 'Ф коэффициент, учитывающий
при рост слоя расплава у напорной rрани.
.За счет наличия расплава у напорной rрани изменяется кру-
тящий момент на поверхности шнека dМ ш . С учетом изменения
ширины цилиндрической поверхности, соприкасающейся с rpa-
нулами, он равен: ·
dМ ш == рf. ш (Ь '1'1) RI d8 (5.66)
Крутящий момент, возникающий от действия сил трения на
боковых rранях dM 1t находят с учетом слоя расплава у напорной
rрани:
dMh == РlmR рhпл d8 + 'thhплR р d8
Изменение давления по длине цилиндра можно
новесия крутящих моментов
dp ЬhплRср cos ер == dМ ц dМ ш dMh
(5.67)
найти из paB
(5 .68)
Подставив вместо крутящих моментов их значения, имеем:
dl
dp/(E Мр) == F (5.69)
Здесь
Е == 't"ц (Ь ..... '1'1) R cos w 't" hh лл R p
М ==- I ш [(Ь 'Фl) Ri R рhлл]
F == ЬRзhплRср sin ер
Интеrрируя аналоrично (5.39), получаем:
Е I Е..... MPi f' I
Р! == М I Е ехр [ ; (1 l ц ) ]
rде Р i i давление, создаваемое на предыдущем расчетном участке
длиной 1 i l.
Данное уравнение справедливо для участка зоны плавления,
коrда толщина расплава у напорной rрани сравнительно' невелика.
Из pacc loTpeHHoro следует, что по мере продвижения полимера
ширина и толщина слоя rранул постепенно уменьшается, а коли
(5.70)
(5.71 )
(5.72)
(5.73)
118
чество расплава у напорной rрани возрастает. На процесс плавле
ния полимера влияет также теплота, выделяемая на поверхности
шнека от трения. Коrда температура на поверхности шнека дo
стиrнет температуры плавления, на этой поверхности также
появляется слой расплава, что значительно ускоряет плавление и
разрушение твердоrо слоя rранул.
От скорости плавления rранул в значительной степени зависит
rомоrенизация расплава в зоне дозирования и соответственно
качество изделий. Чем раньше заканчивается плавление, тем
лучше происходит смешение расплава и выше ero однородность.
5.1.3. Закономерности течения расплава
в зоне дозирования
В конце зоны плавления, коrда основная часть канала ШН,ека
заполнена расплавом, слой rранул разрушается на отдельные
части и движение полимера осуществляется за счет вязкоrо тече-
ния. Поскольку частицы твердоrо полимера сравнительно HeBe
лики, то они не оказывают существенноrо влияния на характер
течения расплава. Большинство полимеров в вязкотекучем состоя
нии обладает адrезией к металлам, поэтому при течении они не
проскальзывают относительно поверхностей каналов. Вследствие
этоrо расплав полимера, находящийся между неподвижным ци
ЛИНДрОlVI и вращающимся шнеком, течет как неньютоновская
жидкость в кольцевом цилиндрическом канале (см. раздел 2.4).
В данном случае слой расплава, прилеr ющий к цилиндру, OCTa
ется неподвижным, а расплав, находящийся около шнека, враща
ется вместе с ним со скоростью Ve == roR 1 . Часть расплава, которая
остается неподвижной, срезается с поверхности цилиндра винто-
вым выступом нарезки шнека, вследствие чеrо по ширине канала
возникает перепад давления.
Поскольку у набеrающей rрани выступа шнека давление
наиболее высокое, то по ширине и rлубине канала создаются
rрадиенты давлений dp/dz и dp/dr. Под действием oceBoro rpa
диента давления dp/dz расп ав течет от набеrаlQщеrо выступа вдоль
'оси z по кольцевому каналу. При этом скорость V z на поверхностях
цилиндра и шнека равна нулю, а в средней части канала макси
мальна. Радиальный rрадиент давления dp/dr обусловливает
появление циркуляции расплава у напорной rрани. Однако ввиду
большой ширины канала по отношению к ero rлубине (b/h
15....;.-...20), циркуляционные вихри образуются на сравнительно
небольшом участке канала шнека, примерно на ширине Ь ц == 2h.
В остальной части канала расплав течет вдоль оси z под действием
rрадиента давления. Схема течения расплава показана на рис. 5.10.
Как видно из рисунка 5.1 О, расплав в канале шнека совершает
вращательное движение BOKpyr оси цилиндра и одновременно
течет вдоль оси по кольцевому зазору между цйлиндром и поверх
ностью шнека. При этом у набеrающей rрани выступа нарезки
образуется циркуляционный поток. Кроме этоrо, под действием
119
V z
р
z
Рис. 5.10. Схема течения расплава полимера в канале шнека зоны дозирования (разрез
вдоль оси цилиндра).
Рис. 5.11. Распределение давления вдоль оси цилиндра при насосном режиме работы
зоны дозирования и различном давлении на входе в rоловку (уrол '" характеризует
rрадиент давления).
давления, возникающеrо у. напорнрй rрани, часть расплава пере-
текает через радиальный зазор между выступом нарезки шнека и
цилиндром, т. е. возникает поток утечек.
Рассмотренная схема течения характерна для случая, коrда
отсутствует перепад давления вдоль винтовоrо канала. Обычно
, .
в зависимости от давления, развиваемоrо в конце зоны плавления,.
и сопротивления формующей rоловки экструдер может работать
в двух режимах. В том, случае, коrда в зоне заrрузки и плавления
создается низкое давление, зона дозирования работает как HarHe-
тающий насос и давление к выходу из экстру дера повышается,
Т. е. в зоне дозирования имеется отрицательный rрадиент давления
(рис. 5.11). В результате часть расплава течет по винтовым KaHa
лам шнека в направлении к зоне плавления со скоростью Vl1p,
которая совпадает по направлению со СI{ОРОСТЬЮ Ve, возникающей
от вращения шнека (рис. 5.12, б). При увеличении давления
в rоловке перепад давления вдоль винтовоrо канала возрастает,
поэтому скорость. Vl1p также повышается (рис. 5.12, а). При
rеометрическом сложении векторов скорости Vl1p и Ve изменяется
эпюра скорости течения расплава в танrенциальном направлении
(рис. 5.13). Таким образом, чем больше перепад давлен,ИЯ, тем
6
iIJ
,-
Рис. 5.12. Схема распределения скоростей течения расплава при насосном режиме работы
зои ы дозирования и ра3JIИЧНОМ давлении в формующей rоловке.
120
r;CM
1,5
1,*5
ч.
1,35
З а 2
а
5
о
'" 6 .1J S ,CM/C о 0,5 1,0 1,5. 2,0 v ZI см/с
Рис. 5.13. Изменение скоростей Ve (а) и 'Dz (6) по rлубине канала Шllека при поло-
жительном и отрицательном rрцдиенте давления dp/dO.
большая часть расплава вращается вместе со шнеком и доля
расплава, срезаемоrо с поверхности цилиндра нарезкой шнека,
уменьшается. Это в свою очередь приводит к понижению oceBoro
потока V z и производительность экструдера уменьшается. Сниже
ние производительности от перепада давления в зоне дозирования
является отрицательным явлением. Однако с ростом давления
в формующей rоловке увеличивается время деформирования
расплав и растет скорость сдвиrа, что способствует лучшей
rомоrенизации расплава и, следовательно, повышению качества
изделий, получаемых методом экструзии.
Сопротивление rоловки можно изменить, меняя число филь
трующих сеток, которые устанавливаются на выходе расплава из
цилиндра экструдера, или применяя специальные дросселирующие
устройства. Этоrо же можно достиrнуть за счет увеличения длины
формующей части матрицы и дор на.
В том случае, коrда давление на входе в зону дозирования
больше, чем на выходе, экструдер работает в дросселирующем
режиме! т. е. в зоне дозирования течение расплава происходит
с уменьшением давления по длине канала шнека и rрадиент давле
ния в танrенциальном направлении сrановится положительным:
dp/dE> > о. Причем, чем больше давление в формующей rолов'ке Р2'
тем меньше rра,циент давления, и при высоком давлении в rоловке
режим работьi может смениться на насосный. rрадиент давления
зависит от перепада давления в зоне дозирования и характеризу
ется tg '1' (рис. 5.14).
Поскольку rрадиент давления меняет знак, вектор скорости
V p также изменяет направление и становится по направлению
противоположным вектору скорости Ve (рис. 5.15). Однако в дaH
ном случае, чем больше давление н.а входе в формующую rоловку,
тем меньше составляющая скорости VAp. При этом поток расплава,
вращающийся BOKpyr шнека, возрастает одновременно с ростом
давления в rоловке и производительност arperaTa 'снижается,
т. е. увеличение давления при работе как в насосном, так и в дpoc
селирующем режиме снижает производительность и повышает
rомоrенизацию расплава.
121
'р
z
6
Рис. 5.14. Распределение давления вдоль оси ЦИЛИНдра при работе 9кструдера в дpoc
селирующем режиме с различным значением давления на входе в rоловку.
Рис. 5.15. Схема направления скоростей в канале шнека:
а эпюры скоростей от вращения шнека и танrенциальноrо rраДиента давления; б
направление векторов скоростей относительно канала шнека.
При работе в дросселирующем режиме вектор скорос.ти Ve
уменьшается меньше, а скорости Vz. повышается больше, чем при
работе в насосном режиме, поэтому при любом давлении Рl или Р4
производительность arperaTa выше, чем при работе в насосном
режиме (рис. 5.16). Дросселирующий режим может быть обеспечен
в том случае, коrда создается высокое давление в зоне заrрузки и
плавления, особенно в экструдерах с продольным или винтовыми
канавками на внутренней поверхности цилиндра. Часть этоrо
давления расходуется на развитие дополнительноrо потока в вин
товых каналах, а остальное в формующей rоловке.
Рассмотренная физическая модель движения расплава в KaHa
лах шнека отличается качественно от моделей, описываемых
в литературе, rде условно принимают, что шнек закреплен He
подвижно, а цилиндр вращается в противоположную сторону
с уrловой скоростью Ы ц . Если рассмотреть эпюры скоростей с He
подвижным шнеком в сечении, перпендикулярном винтовому
каналу, следует, что часть потока движется вместе с цилиндром,
а друrая часть под действием rрадиента давления в противо
положную сторону (рис. 5.17, а). Из этоrо можно заключить, что
по ширине канала создается циркул ционный поток, который
обеспечивает rомоrенизацию расплава. Если же перейти к реаль
ным условиям, т. е. начать вращать шнек, как было рассмотрено
ранее, то эпюра скорости V принимает друrой вид (рис. 5.17, б).
Из рис. 5.17 видно, что расплав по ширине канала движется посту
пательно, а циркуляционный поток возни-
кает только у напорной rрани нарезки
шнека.
Таким образом, в реальных процес-
сах экстр уз ии rомоrенизация обеспечи
вается за счет скорости сдвиrа потока
расплава, вращающеrося BOKpyr оси
шнека, и местной циркуляции ero
а
Qll
О]
,
I
р, Pt Р'!
р
Рис. 5.16. Характеристика 9кструдера при работе в на-
Сосном (1) и дросселирующем (//) реЖИмах.
122
а 6
V ц
..
П:::К ЫЧ Ы ш 1J:::Ю
,
Vz
, )ш
. Ц
(
UJ ш
. /
It::j 'Ы Ц Ыщf.
Рис. 5.17. Эпюры скоростей течения расплава полимера и напряжений сдвиrа в ка-
налах шнека:
а при вращении цилиндра; б при враЩенИи шнека.
,.....
у напорной rрани нарезки шнека. Интенсивность таких местных
вихрей зависит от rлубины нарезки шнека, а также от характера
распределения давления по зонам цилиндра.
Однако, если сравнить эпюры напряжений сдвиrа ';;2' то при
вращении шнека и цилиндра картина получается одинаковой,
следовательно, с точки зрения механики процесс не меняется.
Однако физические основы процесса течения различны, поэтому
коrда рассматривается физическая модель процесса, лучше ocy
ществлять анализ с неподвижным цилиндром и вращающимся
шнеком и объяснять, исходя из этой картины, rомоrенизацию
расплава. Нецелесообразно также рассматривать процесс с вращаю-
щимся цилиндром в том случае, Kor a математическое описание
процесса выполняется в цилиндрических координатах, так как
при этом расчеты количественно отличаются.
На производительность экструдера и степень rомоrенизации
расплава оказывает влияние также поток утечек. Как уже было
рассмотрено ранее, при движении выступов винтовой нарезки
шнека по ширине канала создается осевой перепад давления, ПОД
действием KOToporo между напорной и прuтивоположной rраяJiМИ
выступа появляется rрадиент давления dp /dz, вызывающий тече
ние расплава в радиальном зазоре между выступом шнека и ци
линдром. Датчик давления, установленный в стенке, цилиндра,
показывает, что измеряемое давление меняется во времени на
величину 11 рн: при подходе напорной rрани оно максимально,
а у противоположной rрани уменьшается (рис. 5.18).
Поскольку поток утечек имеет место в узком зазоре, в нем
возникают большие скорости сдвиrа, обусловленные как rрадиен
том давления dp;/dz, так и уrловой скоростью шнека, что приводит
123
Q
р 1/1/11111111111111
ЛРК
а2
Q,
а'
Qz
1/N
)-.
t
Рис. 5.18. Изменение даВJlения у поверхности ЦИJlиндра. Расстояние между перио
дами соответствует времени oAHoro оборота шнека O/N).
-,
Рис. 5.19. Зависимость производитеJlЬНОСТИ от даВJlения в rOJlOBKe для зкструдера с раа----
личной rJlубиной канала нарезки шнека (h. > h.).
к значительному повышению температуры расплава в радиальном
зазоре и температурной неоднородности расплава по rлубине
канала. При' больших частотах вращения шнека за счет диссипа
ции энерrии вязкоrо течения температура расплава чрезмерно
повышается, это может привести к термической деструкции поли:
мера и снижению качества изделий. Во избежание этоrо прихо
дится снижать частоту враще'ния шнека. Значительное влияние на
процесс ОI<азывает поток утечек при переработке полимеров,
расплавы которых обладают сильной аномалией вязкости.
Производительность экструдера в значительной степени зависит
от rлубины канала шнека в зоне дозирования. Так, при работе
с более rлубокими каналами нарезки'шнека производительность
возрастает, однако характеристика TaKoro экстру дера более
крутая, т. е. при увеличении давления производительность сильно
уменьшается (рис. 5.19). В связи с этим при больших сопротивле-
ниях rоловки выrоднее применять шнеки с более мелкой нарезкой,
так как они при высоком давлении обеспечивают большую произво
дительность Qi > Q2. Кроме Toro, использование шнеков с более
мелкой нарезкой способствует лучшей rомоrенизации расплава
вследствие увеличения rрадиента скорости в каналах шнека при
ero вращении и осевом течении расплава.
Рассмотрим закономер ости движения расплава для зоны
дозирования. Считаем, что течение осуществляется в изотермиче
ских условиях, коrда цилиндр неподвижен, а шнек вращается
с уrловой скоростью (О. Шнек имеет однозаходную нарезку и ось
ero направлена по координате z (см. рис. 5.12, б). Аналитическое
ре1I.i ние проводим при следующих допущениях: 1) течение считаем
установившимся; 2) rравитационными силами и силами инерции
пренебреrаем; 3) скольжение расплава по поверхности шнека и
цилиндра отсутствует; 4) размеры канала шнека по длине по
стоянные.
Проанализировав уравнения движения (2.31) (2.33) и оценив
зна'ЧИМОСТЬ всех членов с учетом принятых допущений, имеем:
1 d (r 2 't"re) dp. 1 d (rrrz) dp
r dr == d8 ' r dr == dz
124
Интеrрируя данные уравнения, на-ходим
- ' 1 dp С!
'(,в == т d8 + ,2
, dp С 2
'('2 == 2 dz +,..--
(5.74 )
(5.75)
Из рис. 5.13 видно, что при некотором значении r == R i CKO
рость V z имеет максимум, а следовательно, в этой точке rрадиент
скорости равен нулю: dVz/dr == О и 't rz == о. с учетом данных
значений имеем:
R dp
С 2 =:2 dz
Подставляя:.значение С 2 в (5.75), получаем:
dp ( ,2 R1 )
'('2 == dz 2,
(5.76)
ИзЕуравнения (2.16) с учетом принятых допущений получаем:
{[ d (v e /,) ] 2 [ dfJ2 ] 2 } (n l )/2
1)===К , +
d, d,
После преобразования:
'1. == К ( d;; Y 1 {I + [r d (: r) / Z Т }(11 1)/2 (5.77)
Для данной задачи реолоrические уравнения
имеют вид:
, [ d (v e /,) ]
'(,в == 1)' d,
,dfJ 2
'('2 == 1) d,
(2.6) и (2.7)
(5.78)
(Q.79)
Преобразуя уравнение (5. 77) с использованием (5.78) и (5.79),
получаем:
( dfJ2 ) n 1 [ ( 't're ) 2 ] (1l 1)/2
l1 K 1+
d, 1:'2'
(5.80)
Подставляя полученное выражение в (5.79) с учетом (5.74) и
(5.76), находим скорость сдвиrа:
dfJ z == dp ( ,2..... R ) {[ dp ( ,2 R7 ) J 2 dp С 1 2 } (1 п)/21l
dr к 1 / n dz 2r dz 2r +( 2 d8 + r 2 )
(5.81 )
Для определения скорости проинтеrрируем полученное ypaBHe
ние при следующих rраничных условиях: V z == О при r === Rз
и V z == О при r == R2' (rде R 2 радиус, сердеЧ!iика шнека в зоне
дозирования). '
125
Скорость oceBoro потока равна:
5 2 R 2 { [ ( 2 2 ) ] 2
1 dp , i dp , R i
V z == K 1 / n dz 2, dz 2, +
1 dp С 1 2 } (l п)/2n
+ ( "2 d8 + т2 ) d, + С З
(5.82)
Для определения расхода площадь элементарноrо кольца
умножим на уравнение скорости, а затем произведение проинте-
rрируем. Площадь сечения канала шнека в плоскости, перпенди-
кулярной оси z, равна dS (2nr e/tg ер) dr. с учетом уравнения
(5.82), получаем
R f 3 5 2 R 2 { [ ( 2 2 ) ] 2
РР dp е' i dp , R i
Ql == K 1 / n dz (211' tgq» 2, dz 2, +
R 2
1 d С 2 } (l п)/2n R j 3.
+ (т d + ,i ) d,d, 2р р 1l R t/ ,d, .
ш
,
rде Рр плотность расплава полимера; и, скорость потока утечек.
Для нахождения скорости в танrенциальном направлении
преобразуем уравне}Iие (5.77) к следующему виду:
1] к [, d (t/:/,) T l {I + ( d;: ) 2/ [, d ( /') Т} (n 1)/2
(5.83)
(5.84)
Далее, проведя преобразования подобные описанным
из уравнения (5.78) с учетом (5.74) и (5.76) получаем
, d(v e /,) =-= ( dp + ){[ dP ( ,2 R )] 2+
d, K 1 / n 2 d8 ,2 dz 2,
1 dp C 1 2 } (1 п)/2n
+ ( 2" d8 + f2 )
Для танrенциальной скорости можем записать:
ранее,
(5.85 )
t/e == K /n f + ( + :: + ;: ) {[ : ( ? , R ) Т +
1 dp С 1 2 } (l n)/2n
+ ( т d8 + f2 ) d, + С 4
Решение ПрОВОДИl\f при rраничных условиях: Ve == О при r ==
=== R з и Ve ;=:: roR 2 при r == R 2 . .
При отсутствии сдвиrовоrо течения весь полимер при вращении
шнека перемещался бы вдоль винтовой линии со скоростью roRзtg ер.
Однако при течении вязких жидкостей часть расплава Bpa
щаеrся вместе со lUHeKoM и вдоль цилиндра не перемещается.
Поэтому при опредеЛеНИИ производительности эту часть расплава
126
(5.86)
и поток утечек следует вычитать. Таким образом производитель-
насть экструдера будет равна: .
Qz=:roP p R3 [11: (R R ) t;q> (Rз R2)] tgq>
R3 R3
РРК б (t е) J vedr 2Р р 1I: J и;, dr (5.87)
R 2 R ш
rде Кб коэффициент, учитывающий влияние боковых rраней нарезки шнека.
Для однозаходноrо винтовоrо канала можно принять
Кб :::= 1 + 1,5 (Rз R 2 )/(t е)
(5.88)
При этом массовые расходы, рассчитанные по уравнениям
(5.83) и (5.87), должны быть равны
Ql == Q2
В качестве дополнительноrо уравнения можно также исполь
зовать равенство перепадов давлений, создаваемых по зонам
шнека и в формующей rоловке:
!!,.Рз + !!,.Рпл + !!"рд == Е !!"р (5.89)
rде !!"рз, !!"Рпл, !!,.Рз перепады давлений в зоне заrрузки, плавления и до-
зирования соответственно; Е!!,.р суммарный перепад давления в rоловке и
фильтрующем пакете.
Используя полуqенное равенство, можно определить rрадиент
давления в зоне дозирования:
dp !!,.Рз + !!,.Рпл Е !!"р
d8 2лт
(5.90)
rде т число витков нарезки в зоне дозирования, т == 1ft.
Полученная система уравнений в общем виде решается только
численно с использованием ЭВМ. Как показали иссл'едования,
наибольшее влияние на производительность оказывает rрадиент
давления в танrенциальном направлении и показзтель степени n
(рис. 5 2Q). Как видно из рис. 5.20, производительность очень
сильно. зависит от rрадиента давления при малых значениях n.
Для ньютоновских жидкостей изменение расхода практически
отсутствует. Для Toro ч'тобы понять столь различное влияние rpa-
u
диентз давления и показателя степени, рассмотрим эпюры осевои
скорости. Из рис. 5.21 видно, что при уменьшении показателя CTe
пени n скорость V z увеличивается. в зависимости от показателя
степени n изменяется также кривизна профиля скорости и про
исходит смещение максимальноrо значения скорости (при r
== R i ) К поверхности шнека. Однако при работе экстру дера в Ha
сосном режиме наблюдается обратная картина, и при уменьшении
показателя степени n производительность снижается (см. рис. 5.20).
Такое неоднозначное влияние показателя степени n объясняется
изменением профиля скорости течения расплава в танrенциальноМ
напра.злении Ve. При уменьшении показате.тIЯ степени кривизна
эпюры скорости Ve возрастает сильнее, чем при большом значении
127
Q, см 3 /с
3,0
2,5
2,0
1,5
00. 2 0,4- 0,6
, "
r,CM
1,5
О, J О 5
, О 7
,
1,0
150 кПа
1,ч5
1.
,
I
0,8 n
1,35
1,З
..
Ii
0,5 1 1,5 2 2,5 VZ,CM/C J
Рис. 5.20. Зависимость пронзводительности 9кструдера от показатеJlЯ степеНИАп при
раЗЛИ'IНЫХ rрадиентах давления dp/d6 (перепадах даВJlения в зоне дозирования).
Рис. 5.21. Зависимость скорости 'V z от радиуса канала r при работе 9кструдера в дрос..
селирующем режиме и раЗJlН'IНЫХ значениях показатеJlЯ степени п.
n и отрицательном tрадиенте давления dp/dE> (насосный режим)
поток, вращающийся со шнеком, увеличивается. При положитель
ном rрадиенте давления и малых значениях показателя степени n
э юра Ve становится более, воrнутой и доля расплава срезаемоrо
нарезкой шнека возрастает, т. е. производительность экструдера
повышается больше, чем для ньютоновских }I{идко.стей.
. Из paccMoTpeHHoro видно, что для достижения высокой. произво-
дительности при переработке полимеров, обладающих сильной
аномалией вязкости (ма\лое значение n), целесообразно создавать
дросселирующий режим работы зоны дозирования.
При расчете производительности учитывается поток утечек.
Для вывода уравнений рассмотрим изотеРМ,ическое течение при
допущениях, записанных ранее. Анализируя Jуравнения движения
(2.31 ) (2. 33) имеем:
d с) О
( r w ", ) ==
dr r8
1 d dp'
(r"'rz) ==
r d, dz
(5.91 )
(5.9.2)
Интеrрируя эти уравнения,' получаем:
"'r8 == с б /,2
dp' r С 6
"'rz== dz 2+,
(5.93)
(5.94)
постоянную интеrрирования С 6 MO}l{HO найти, приняв, что при
r == Rs dVz/dr == о; следовательно 't rz ;=:: о. Тоrда:
Св == .:...... др' R1 (5.95)
az 2
rде Rs радиус, при котором скорость потока имеет максимальное значение.
Подставив (5.95) в (5.94), находим:
др 1 ( 2 2 )
"'rz== az 2, r Rs
(5.96)
128
Реолоrические уравнения можно записать аналоrично (5.78)
и (5.79). Используя уравнения (5.77), (5.78) и (5.79), на одим
скорость СДниrа в танrенциальном направлении:
д . С 5 { 2 [ др' 2 2 ) J } o п)/2n
r д, (ve!r) == 'Уе == 2(1 п)/пKI/nr2/п 4С 5 + az (, RS r (5.97)
Для определения постоянной интеrрирования С 5 можно BOC
пальзоваться условием равенства скоростей сдвиrа данноrо ypaB
нения и уравнения для течения расплава между вращающимися
цилиндрами (поток Куэтта) при r == Rs. Так как составляю-
щая скорости сдвиrа, обусловленная перепадом давления, при
r == Rs равняется нулю, то с учетом (2.50) можем записать:
2(J)R /nR I1/n (R /n R n) == c1/ n /K 1 / n (5.9В)
Постоянная интеrрирования равна:
С 5 === KR R [2ОО/n (R /n R n)]n
(5.99 )
Для определения скорости сдвиrа по оси z воспользуемся тем же
методом, что и при нахождении Уе см. уравнение (5.97). После
известных пр'еобразований находим:
av; д:; е R ) ,(n 2)/п { 2 [ др' ( 2 2 ) J 2 } (1 п)/2n
д 1/ 4С 5 + д ' Rs '
r === (2К) n z
Для определения скорости проинтеrрируем уравнение (5.100):
др'
v' === & J ( ,2 R2 ) { 4С2 + [ др' ( ,2 R2 ) , ] 2 } (l rz)/2n,(n 2)/nd, + с
2 (2 К) 1/ п S 5 az s 7
(5.101)
Решение. выполняется при -rраничных условиях: v; == О при
r == R ш и v; == о при r == R з .
rрадиент давления в радиальном зазоре зависит от перепада
давл'ения по ширине канала шнека, а также от разности давлений
на входе и на выходе из зоны дозирования. С учетом oceBoro rpa
диента давления можем записать:
dp' dp t е + pд
dz === dz те
(5.100)
(5.102)
Подставляя найденную скорость v; в (5.83) и (5.87), находим
riроизводительность экструдера с учетом потока утечек.
Рассмотренное решение не учитывает тепловых процессов,
OДHa o экспериментально установлено, что rрадиент температуры
по rлубине канала в некоторых случаях достиrает 15 200C. Кроме
Toro, при сдвиrовом течении вязкой жидкости механическая энер
rия, ЗcI!рачиваемая на движение, превращается в тепловую, что
обусловливает изменение температуры. Поскольку циркуляция
расriлава в витках шнек осуществляется только у напорной
rрани, тепловой поток по rлубине канала обусловлен теплопровод"
5 Бортников В. r. 129
u
ностью расплава полимера и диссипациеи энерrии вязкоrо течения.
В этом случае расчет зоны дозирования необходимо проводить
с учетом уравнения энерrии.
Для установившеrося режима течения, а также считая, что
теплофизические характеристики не зависят от температуры, и
п'ренебреrая теплопроводностью вдоль оси канала, с учетом при-
нятых ранее допущений, у'равнение энерrии имеет вид:
дТ л д ( дТ ) . д ( v 8 ) afJ z
PpcpvzдZ == , д, , д, + Т,8' д, , + 't rz д,
(5.103)
в данном случае в уравнения (5.82), (5.83), (5.87) и (5.100)
вместо К и n подставляют их значения из уравнений (2.25) и pe
шают их совместно с уравнением энерrии.
Процесс экструзии рассчитывают с учетом KOHKpeTHoro TeXHO
лоrическоrо процесса. Например, для обеспечения необходимых
условий кристаллизации и получения изделий с заданной CTe
iIенью кристалличности выбирают скорость охлаждения расплава,
затем, используя уравнения нестационарной теплопроводности,
находят скорость отвода экструдата и определяют неоБХОДИ IVЮ
производительность arperaTa Q: . ·
Q == PoMF oJ (5.104)
rде Ро плотность полимера при 20 ос; М число фильер в формующей ro
ловке; F э площадь сечения изrотавливаемоrо изделия; v э скорость отвода
профиля (изделия).
При переработке аморфных полимеров скорость экструзии
выбира т по заданной степени ориентации макромоле ул, Bepx
нее значение скорости экструзии оrраничивается наступлением
эластической турбулентности, т. е. появлением шероховатости
экструдата. Затем с учетом найденной производи ельности опре
деляют уrловую скорость вращения шнека и рассчитывают. все
остальные параметры процесса экструзии. Следует заметить, что
расчет зон заrрузки, плавления. и дозирования проводят не изоли-
рованно, а при условии равенства ма'ссовых расходов (производи
тельностей) всех зон:
Qз == Qпл == Qд
... Кроме этоrо, учитываются условия течения расплава в фОр lУЮ
щей rоловке, поскольку степень ориентации макромолекул заВисит
от скорости сдвиrа, а также процессы, происходящие после выхода
экструдата, вытяжка расплава, последующая ориентация,
.,
эластическое восстановление струи расплава.
5.2. ТЕхнолоrия ПРОИ3ВОДСТВА ТРУБ МЕТОДОМ
ЭКСТРУ3ИИ .
. Процесс изrотовления труб основан на непрерывном выдавли
вании расплава через кольцевую Iцель формующей rоловки с по
следующ'им ()хлажде,нием и отводом трубы в соответствующие
U .
пр:иемные устроиства.
130
(раНУА6/
+
ВоВа
D
Рис. 5.2-2. ArperaT ДJlЯ ПрОИЗ80дства труб методом экструзии:
........
1 экструдер; 2 формующая rоловкз; 3 калибрующая насадка; 4 и 5 первая
и вторая зоны охлаЖДения; 6 труба; 7.... измерительно маркирующее устройство;
8 ТЯНуЩее устройство; 9 отрезающее устройство; 10 прИемныА: стол (штабелирую
щее устройство).
Методом экструзии можно изrотавливать трубы диаметром от
десятых долей миллиметра (капиллярные трубки) до 5.00 мм и
более. Для производства труб MorYT использоваться термопластич
ные' полимерные материалы, расплав которых имеет необходимое
значение вязкости. Как правило, трубы изrотовляют из высоковяз
ких сортов полимеров, так как при малой вязкости расплава
трудно сохранить заданную форму трубы по ле выхода ее из фор
мующей rол'ОВКИ. Наиболее часто трубы производят из полиэти
лена, полипропилена, поливинилхлорида, поликарбоната, поли
стирола или сополимеров олефинов, винилхлорида, стирола.
Процесс изrотовления труб состоит из следующих технолоrи
ческих операций: 1) подrотовка сырья; 2)'" плавление и rОМоrениза
ция расплава; 3) фо'рмование профиля трубы из расплава; 4) калиб-
рование трубы; 5) охлаждение трубы; 6) намотка или резка;
7) маркировка. '
Схема arperaTa для производства труб показана на рис. 5.22.
rранулы полимера заrружают в бункер экстр у дера 1, rде они
расплавляются и выдавливаются через формующую трубную
rоловку 2. Трубчатый профиль б поступает внутрь к либровочной
насадки (rильзы) 3, rде частично охлаждается и приобретает необ
ходимые размеры. Внутрь трубы подводится сжатый воздух для
прижатия расплава к стенкам насадки или создается вакуум
между трубой и HacaДKO . Затем труба охлаждается в ванне
с двумя температурными зонами 4 и 5, проходит маркировку в уст..
ройстве 7, протяrивается ТЯНУIЦим' устройством 8 и разрезается
пилой 9. Трубы небольшоrо диаметра не разрезаются, а CMaTЫBa
ются в бухты.
5.2.1., лавление полимера и rомоrенизация расплава
Подrотовка расплава к формованию обычно проводится на
шнековых экструдерах и реже на дисковых, так как в последних
не- достиrается высокое давление. el1изические основы данной
технолоrической операции rодробно рассмотрены в разделе 5. 1 t
поэтому здесь коротко рассмотрим лишь некоторые особенности.
5* 131
При плавлении полимера и rомоrенизации расплава требуется
обеспечить хорошую однородность расплава по температуре,
а также полное расплавление rранул, чтобы исключить попадание
в изделие нерасплавленных частиц полимера. В противном случае
качество изделий понижается. Кроме Toro, чтобы происходило
качественное формование расплава и последующее сохранение
заданноЙ формы, полимер должен быть HarpeT до определенной
температуры (расчет температуры см. в разделе 5.2.6). Экструзион
ныЙ arperaT должен работать при частоте вращения шнека, обеспе
чивающей заданную скорость выхода расплава и определенное
давление на входе в формующую rоловку., Марка экструдера выби
рается в зависимости от размеров (площади сечени F э ) изrотавли
ваемой трубы, скерости отвода трубы v э и числа фильер М в ro
.ловке. Расчетная производительность должна составлять при
мерно 60 % от максимальной производительности arperaTa по
паспортным данным, т. е.
2
'роМFзvэ 3 Qмаис
(5.105)
Запас по производительности необходим для возможности
управления процессом. При работе с максимальной частотой Bpa
щения шнека увеличивается пульсация расплава (увеличивается
dQ/dt) , что вызывает появление разнотолщинности стенок трубы
по длине.
Скорость экструзии v э обычно выбир ается при условии исклю
чения эластической турбулентности (дробления расплава и появле
ния шероховатости) или в зависимости от скорости охлаждения
трубы с учетом длины охлаждающей ванны.
5.2.2. Формование профиля трубы
Формование осуществляется при течении расплава полимера
через кольцевую щел rоловки. Для этоrо обычно используют пря-
моточные, уrловые и Z-образные формующие rоловки.
Наибольшее применение находят прямоточные rоловки, одна
из конструкций которых показана на рис. 5.23. Корпус rоловки
состоит из двух 'ЧастеЙ 3 и 6, между которыми закреплена.решетка
дорнодержателя 11. . В ,часть корпуса 6 вставляется формующее
кольцо 9, которое креци.Т.СЯ ,фланцем 8. На входе в rоловку BCTaB
ляются решетка 2 и пакет фильтрующих сеток 1. На решетке
дорнодержателя 11 закреплены рассекатель 4 и дорн 10. Решетка
дорнодержателя име т штуцер 5 для подвода сжатоrо воздуха
внутрь трубы '
Распла /'полимера из цилиндра экстру дера проходит через
пакет фильтрующих сеток 1, решетку 2, а затем течет в зазоре
между. патрубком 3 и рассекателем дорна 4 и входит в отверстия
решетки дорнодержателя:ll rде ребрами разделяется На несколько
параллельных потоков. Чтобы не было застойных зон, ребра ре-
шетки дорнодержателя делают обтекаемой формы' (см. сечение
132
а..а
Рис. 5.23. Прямоточная трубная rOJlOBKa:
1 пакет сеток; 2 решетка; 3 и 6 корпус rоловки; 4 рассекатель; 5 штуцер:
7 винт реrулировочный: 8 фланец; 9 формующее кольцо (мундштук); 10 дорн;
J J решетка дорнодеРЖt\теля. В сечении a a показан обтекаемый профиль ребра ДOpHO
держателя.
a a). После решетки дорнодержателя расплав вновь поступает
в кольцевой канал, образованный частью корпуса 6 и дорном 10.
Окончательные размеры расплав принимает в формующем канале,
при этом для обеспечения равной толщины трубы по периметру
формующее кольцо 9 может перемещаться винтами 7 в радиальных
направлениях относительно дор на. Например, вворач ивая верхние
винты 7, уменьшаем толщину трубы .сверху, а 'снизу она увеличи
вается. '
Длина формующеrо канала обычно принимается равной l/h ==
== 15. 30, но при проектировании rоловок необходимо учитывать,
что в зависимости от длины канала изменяется анизотропия свойств
труб в осевом и танrенциальном направлениях. При этом анизотро
пия возрастает с увеличением скорости сдвиrа и. уменьшается
с увеличением длины канала (рис. 5.24). Подобная зависимость
объясняется тем, что при течении под действием напряжений
сдвиrа происходит ориентация макромолекул по направлению
экструзии, поэтому в rOToBoM изделии (трубе) образуются при
кристаллизации несимметричные структуры, большая ось которых
соответствует напра лению экструзии и которые обусловливают
\
rt
OA>
+10
(]
о
рис. 5.24. Зависимость раз
РУшающеrо напряжения при
растяжении (а) и усадки (6)
от длины формующеrо Ka
нала при ра3JIИЧНЫХ CKOpO
стях сдвиrа:
(] 11 t 1/" разрушающее Ha
пряжение и усадка вдоль на-
пpaBлeHия ЭКСТРУЗИIf; (J 1. t
У 1. то же В направлении.
перпенnикулярно экстру-
зии (в танrенциаЛЬНОl\l на-
правлении) .
}а"
, a!
l/h
10
6
У"
l/h
133
анизотропию свойств. При наrревании труб" имеющих анизотро"
пию структуры (свойств), особенно до высокой температуры'
(Т > Т пл); макромолекулы переходят в равновесную конформа-
цию и размеры трубы вдоль оси уменьшаются, а диа етр увеличи
вается. Из этоrо следует, что по длине трубы происходит усадка
(У 11 ' положительная), а по диаметру «разбухание» (Y.l
отрицательная).
Если длина формующеrо канала сравнительно велика, то при
течении расплава напряжения сдвиrа частично релаксируют и
ориентация моле:кул уменьшается, что соответственно уменьшает
анизотропию свойств трубы. Для Toro чтобы уменьшить влияние
длины канала, нужно стремиться, чтобы на всех участках rоловки
течение происходило по возможности с постоянным rрадиентом
скорости, особенно на участках перед входом в формующий канал.
Для получения труб с незначительной анизотропией свойств фор
мование следует проводить без вытяжки расплава после выхода
и rоловки, а длина формующей части rоловки должна быть равна:
lф > 3v з л' (5.106)
rде t1з ср едняя скорость течения расплава в канале; л время релаксации
напря}Кения сдвиrа. '
Скорость течения можно выразить через:;расход:
V
v
з n ( R ...... R )
rде RM и R д радиусы матрицы и дорна.
Выразив время релаксации через вязкость и модуль сдвиrа
О у , с учетом уравнения (2.27) получаем':
== o\ ,n le b (T To)
у
Значение скорости сдвиrа из уравнения (2.63) подставим
в (5.106), тоrда:
1 > 3Ко [ V ] n [ 2 (2n + 1) ] n 1 e b (T T о) (5.107)
Ф О у п ( R Ri) n (RM R A )
rде О у модуль сдвиrа расплава при температуре Т и скорости сдвиrа "".
Как видно из рис. 5.23, расплав после Bь xoдa из решетки
дорнодер ателя разделяется на отдельные потоки, поэтому, чтобы
на трубе не было линий спаев, кольцевые каналы после решетки
делают переменноrо сечения, изменяя радиальный зазор между
дорном и корпусом При этом неизбежно на этих y aCTKax скорости
сдвиrа сильно изменяются, вследствие чеrо возрастают входовые
потери и повышаются напряжения сдвиrа в формующем канале.
Как уже было показано ранее, большие напряжения "вызывают
анизотропию свойств, ....поэтому такой способ ликвидации линий
спаев нецелесообразен.
134
1
2
Рис.. 5.25. Прямоточная rOJlOBKa с ВИНТОВЫМИ канавками ДJlЯ Jlиквидации Jlиний спаев
(разрез в аксонометрии):
1 канавки на ДОрНе: 2 канавки на корпусе.
Рис. 5.26. Прямоточная rOJlOBKa с ЦИJlиндрической решеткой дорнодержаТeJlЯI .
J .... фланец: 2 решетка .цорнодержателя; 3 рассекатель цорна; 4 корпус; 5 ...
дорн; 6 формующее кольцо.
Чтобы ликвидировать линии соединения потоков на внутренней
поверхности корпуса rоловки и на дорне после .решетки дорнодер-
жателя предусматривают винтовые канавки с у.rлом нарезки более-
450 (рис. 5.25). В этом случае расплав около поверхности дорна и
корпуса течет в разных направлениях, отдельные струи пересека..
ются друr с друrом и на входе в формующий канал образ.уется
сплошной поток без линий спаев. Кроме Toro, молекулы полимера
за счет винтовоrо течения частично приобретают танrенциальную
ориентацию, что положительно влияет на упрочнение труб.
Исключить образование линий спаев в трубе можно также,
u I u
используя прямоточную rоловку с цилиндрическои решеткои
дорнодержателя (рис. 5'.26). Расплав полимера из патрубка фланца
1 поступает в отверстия решетки дорнодержателя 2, в которых
течет перпендикулярно к оси rоловки, затем отдельные потоки
расплава поворачивают вдоль решетки и попадают в кольцевой
ка!Jал, образованный корпусом 4, формующим кольцом б и дорном
5. Вследствие поворота расплава и изменения профиля скорости
течения линии спаев не образуются.
В тех случайх, коrда калибрование труб осуществляется на
охлаждаемом дор не, используют уrловые формующие rоловки
(рис. 5.27). Расплав поступает в патрубок корпуса, затем обтекает
дор н с двух сторон по .коллекторному распределителю и, поворачи
вая вдоль оси дор на, вновь соединяется в кольцевой поток. Труба
на выходе ,имеет один спай на противоположной стороне от BXOД
Horo патрубка, rде соединяются два потока. Показанная на рис.
5.27 rоловка состоит из корпуса 4, в который вставляется дор н 3,
теплоизоляционная втул'ка 2 и труба 1, через которую в высту-
fIающую часть дорна подается вода. Таким образом часть дорна,
выступающая за формующее кольцо, охлаждается и на ней про
исходит калибрование трубы. В корпусе 4 установлено формующее
кольцо 5, которое закреплено фланцем 7 и болтами б. Разнотол
135
+
б
.....
7
8
Рис. 5.27. )lrловая трубная rоловка с охлаждаемым дорном:
1 труба; 2 теплоизоляционная втулка; 3 дорн; 4 корпус; 5 формующее
кольцо; 6 болт; 7 фланец; 8 реrулировочный винт; 9 коллекторный pacnpe
делитель. ')
Рис. 5.28. Выравнивание потоков расплава с помощью симметричных распределитель-
н ых каНaJlОВ:
1 дорн; 2 корпус.
щинность трубы реrулируется за счет перемещения фьрмующеrо
кольца 5 реrулировочными винтами 8.
В уrловых rоловках необходимо предусматривать К9НСТРУКТИВ
ные элементы, выравнивающие скорость течения расплава по
длине подводящих каналов. Это необходимо в связи с тем, что при
выходе из боковоrо' патрубка расплав несимметрично оrибает
дорн. Чтобы выровнять потоки, дор н обычно крепят эксцентрично
относительно корпуса rоловки. Поскольку такая конструкция
сложна в изrотовлении и ее трудно рассчитать, чаще применяют
дорны с распределением расплава, показанным на рис. 5.28.
Расплав из патрубка поступает вначале в два канала, OXBaTЫ
вающих дор н с двух сторон, которые затем поворачивают вдоль
оси дорна и разделяются каждый еще на два V образно направлен-
ных канала, соединенных с винтовыми каналами. Все четыр'е pac
пределительных канала изrотавливают paBHoro сечения и длины,
а располаrают их относительно друr друrа по периметру дорна под
уrлом 90°. Для Toro чтобы не возникали линии спаев, винтовые
каналы делают с постепенно уменьшающейся rлубиной, вследствие
чеrо кольцевой зазор между корпусом 2 и дорном 1 к вы,ходу YBe
личивается, а rлубина винтовых каналов уменьшается до нуля.
Подобные конструкции обеспечивают равномерное распределение
расплава BOKpyr дор на и способствуют ликвидации линий спаев.
Чтобы исключить реrулирование разнотолщинности после
смены дор на или матрицы, их делают жесткоцентрироваННЫМИ t
т. е. устанавливают в корпусе на скользящей посадке без смеще
ний. Необходимое выравнивание потоков расплава в данном случае
осуществляют реrулировочным кольцом 2 (рис. 5.29). За счет
смещения кольца 2 относительно дорна изменяется радиальный
зазор по периметру и скорость потока в канале выравнивается.
Этот метод применяется в тех случаях, коrда требуется частая
смена дор на и матрицы при изrотовлении труб различньrх размеров.
При изrотовлении труб из полимеров,. склонных к сильной
термической деструкции, при смещении реrулировочноrо кольца 2
136
Рис. 5.29. Выравнивание потоков с помощыo реrУJlировочноrо
КОJlьца:
1 ...... корпус; 2 реrуЛИровочное кольцо; 3 ВИНТ; 4 фор
мующее кольцо; .5 дорн.
относительно корпуса 1 в канале образуется
выступ, на котором: задерживается и дeCTpYK
тирует полимер, что вызывает ухудшение каче
ства труб. Для предотвращения этоrо, вырав-
нивание потоков и реrулировку разнотолщин
ности осуществляют с помощью мундштука 1
со сферическим выступом (рис. 5.30). Мундш
тук 1 может перемещаться в шаровой опоре
корпуса относительно дорна 2 винтами 3, при
этом меняется радиальный зазор в формующем
канале без образования выступов, что исключает образование
застойных зон в потоке расплава.
Пр'и изrотdвлении двухслойных труб или при покрытии метал
лических труб пластмассовой оболочкой применяют Z образные
rоловки, у которых п'Итающий патрубок расположен параллельно,
оси со смещением (рис. 5.31). Расплав входит в уrловой патрубок
5, затем сердечником дор на распределяется в виде кольцевоrо
потока и течет между формующим кольцом 1 и дорном 2. При
изrотовлении однослойных труб внутрь дорна подается вода, а при
формовании двухслойных труб через отверстие дорна ,протяrива
ется ранее изrотовленная труба меньшеrо диаметра.
Таким образом, конструкции формующих rоловок должны
удовлетворять следующим общим требованиям: 1) равномерное
течение расплава по периметру rоловки; 2) отсутствие линий спаев;
3) плавный переход от одноrо участка канала к друrому; 4) paBHO
мерное наrревание расплава по периметру.
1
2
Рис. 5.30. Трубная rо Т(овка с закреплением формующеrо кольца в шаровом шарнире:
1 мундштук; 2 дари; 3 реrулировочный ВИНТ.
Рис. 5.31. Трубная Z образная rOJlOBKa (со смещением патрубка):
1 формующее кольцо; 2 дорн; 3 реrулировочный винт; 4 корпус; 5 уrловой
патрубок.
137
Кроме конструктивных факте-.
ров на качество изrотовляемых
труб влияют технолоrические па
раметры температура, 'скорость
течения и. скорости вытяжки рас..
плава.
Как уже неоднократно упоми
налось, при течении происходит
'+6/2 ориентация" Iолекул полимера,
которая зависит от вязкости
расплава и скорости течения. При увеличении температуры pac
плава ориентация и время релаксации уменьшаются, поэтому
прочность и усадка труб в осевом направлении снижаются. Если
измерить усадку образцов', вырезанных из стенки трубы на различ-
ной rлубине, то изменение усадки аналоrично профилю напряже
ния сдвиrа; возникающеrо. при течении (рис. 5.32). 9:0 указывает
H то, что усадка и ориентация зависят в ,?CHOBHOl\1 от напряжения
сдвиrа.
Анизотропия ,свойств и прочность изделий в значительноЙ
степени зависят от температуры расплава. Чем выше температура
расплава, тем меньше должна быть анизотропия, так как ориента
ция молекул снижается. Как видно из рис. 5.33, при достижении
u u
определеннои температуры расплава прочность изделии в продоль
ном\и поперечном направлениях становится раВllОЙ. Однако в зави
симости от температуры прочность изменяет я неоднозначно; для
одних полимеров она понижается, а для дру rих проходит через
l\1аксимум. Для кристаллизующихся полимеров изменение проч
. У, ./.
+0
20
о
.. 0"6/2
о
С 1 МЛа
18
€) О/О
750
1
, 1JO
Рис. 5.32. Изменение термической усадки по
толщине стенки трубы.
600
о'
. ) '/0
б
ч
2
О
...2 50 75
1
100 125 150 Е67 о/о
,
Рис. 5.33. Зависимость разрушающеrо напряжения при растяжении а и относительноrо
удлинения е от температуры rоловки Т l' для полиэтилена низкой плотности: .
(J " ' е" разрушающее напряжение и относительное удлинение ВДоль направления
экструЗ ИII ; (J J.' e.L ...... то же в направлении, лерпендикулярном экструзии (в TaHreH
циальном направлении).
Рис. 5.34. Зависимость термической усадки вдоль направления экструзии У" и в тан-
rенциальном направлении _ У.l. от степени вытяжки расплава:
1 полиэтилен низкой плотности; 2 ПОЛlfэтилен высокой плотности; 3 полипро-
пилен. -
138
НОСТИ обусловлено в основном формой и размерам'и -надмолекуляр-
НЫХ структур, для аМ9РФНЫХ ориентацией макромолекул и
rомоrенизацией расплава в зоне дозирования. Поэтому в зависи-
мости от Toro, что сильнее влияет на прочность степень rOMore-
f{изации' или ориентация происходит либо увеличение, либо
уменьшение прочности труб в различных направлениях. При
изrотовлении труб из полимеров, подверженных термической
'деструкции, прочность с повышением температуры вначале воз-
растает, а затем уменьшается; последнее можно объяснить деструк-
цией полимера, которая резко усиливается при ВЫСОКИХ темпера-
турах. В зависимости от температуры изменя тся также блеск
поверхности трубы: чем выше температура, тем больше блеск, т. е.
.лучше товарный вАд изделия. Это можно объяснить тем, что. с ро-
стом температуры уменьшается возможность проявления эффекта
эластической турбулентности. Кроме Toro, в поверхностном слое
снижается степе ь кристалличности и уменьшаются размеры
структур, влияющих на шероховатость поверхности.
Скорость течения расплава в rоловке влияет в основном на
анизотропию свойств трубы, поскольку rрадиент скорости связан
с напряжением сдвиrа. Необходимо учитывать также, что при
увеличении скорости может появиться шерохов.атость поверх-
ности, так как при напряжении сдвиrа, превышающем силы
адrезии расплав , происходит периодический срыв расплава
с поверхности формующеrо канала (см. раздел 2.7).
При формовании профиля трубы расплав из rоловки выходит
не свободно, а с помощью тянущеrо устройства. Елси расплав отво-
Дится со скоростью большей, чем скорость выхода расплава, про-
исходит уменьшение толщины стенки трубы и повышается осевая
ориентация макромолекул. В зависимости от степени вытяжки
расплава увеличивается усадка в продольном направлении. При
этом в танrенциальном направлении при наrревании труб, изrотов"
ленных с вытяжкой, наблюдается не уменьшение, а увеличение
размеров (рис. 5.34).
Под степенью вытяжки Ев понимается отношение площади
сечения трубы к площади формующеrо зазора в rоловке, выражен-
ное в процентах. В зависимости от степени вытяжки изменяются
физико-механические свойства труб, так, разрушающее напряже-
ние вдоль трубы возрастает, а в поперечном направлении умень-
шается (рис. 5.35). Относительное удлинение имеет противополож-
ную зависимость. Для изделий, полученных с малой степенью
вытяжки, относительное удлинение в продольном направлении
больше, чем в поперечном. В тех случаях, коrда трубы использу-
юТся для перекачки жидкостей, т. е. должны работать под внутрен-
ним давлением, требуется большая прочность в танrенциальноМ
(окружном) направлении. Чтобы достиrнуть этоrо, формование
труб следует проводить при наложении на осевой поток расплава
танrенциальных напряжений сдвиrа. С этой целью применяют
rоловки с вращающимся дорном или вращающимся кольцом
(мундштуком) .
139
и, М па
Е, О/О
16
675
12
525
825
50
75
100
125
150 Е 6 , % 375
...
Рис. 5.35. Зависимость разрушающеrо напряжения а и ОТНОСитеJJьноrо удлинения е
зкструзионных изделий от степени вытяжки.
Прямоточная rоловка с вращающимся дорном н приводом от
Ц1нека показана на рис. 5.36. rоловка состоит из корпуса 2,
соединенноrо с фланцем экструдера 1, дорнодержателем 6 и про-
межуточным корпусом 11. Внутри дорнодержателя на подшипни..
ках 5 и 4 закреплен дорн 12, соединенный со шнеком соединитель..
ной муфтой 3. Для исключения попадания расплава в воздуха"
распределительное кольцо 9 на дорне 12 установлено уплотнение
10, состоящее из наборных колец и прижимной пружины 7.
Формование профиля трубы происходит в канале, образован..
ном Дорном 12 и формующим кольцом 13, закрепленным фланцем
14 и болтами 8. Осевое течение расплава осуществляется под
действием перепада давления в rоловке, при этом возникают напря-
жения сдвиrа 't rz , а вследствие вращения дорна соответственно
танrенциальные напряжения 'tre, поэтому на макромолеl.{УЛУ
J ч. 5. б 7 8 9 1 О 5 11 12 1 3 1 'f
Рис. 5.36. прямоточная rOJlOBKa с вращающимся дорном: ..
1 фланец экструдера; 2 корпус; 3 муфта; 4, 5 подшипн.ики; 6 дорнодержа
тель; 7 прижимная пружина; 8 болт; 9 воздухораспределительное кольцо;
10 уплотнение; 11 промежуточный корпус; 12 дорн; 13 формующее кольцо;
14 фланец.
140
рис. 5.37. Зависимость прочиости
трубы от скорости вращения дориа (J,МПа
для ПОJlИ9ТИJlена высокой ПJlОТНОСТИ:
1 t 3 предел текучести в продоль. 26
НОМ и танrенциальном направле
нии; 2, 4 разрушающее напря
жение в танrенциальном и про 22
ДОЛЬНОМ направлении.
воздействует суммарное
напряжение, равное reo..
метрической сумме:
1/ 2
'{ JI 't rz + '{rЭ
18
Х ...............Х
1ч
-10
О ) 0,5 1,0 1,5 2,0 2)5 3,0 lJJ}paiJjc
Чем больше составляющая 'tre относительно 't rz ' тем больше
увеличение прочности в танrенциаЛЬНОl\1 направлении и снижение
ее в осевом (рис. 5.37). Как видно из рисунка, разрушающее напря..
жение вдоль направления экструзии с ростом частоты вращения
дорна значительно падает (кривая 4), а в танrенциальном направ"
лении возрастает (кривая 2), однако напряжения текуч сти при
этом почти не изменяются. С увеличением частоты вращения дорна
значительно уменьшается также относительное удлинение при
растяжении вдоль направления экструзии и возрастает в TaHreH-
циальном. Таким образом, проявляется одинаковая зависимость
разрушающеrо напряжения и относительноrо удлинения от ча..
стоты вращения дор на. Это, вероятно, объясняется тем, что боль-
шая rpaHb ламелей в' сферолите, в которой расположена складка
макромолекулы (направленная по оси а кристаллической ячейки),
ориентируется по направлению cYMMapHoro напряжения сдвиrа,
что обусловливает ббльшую прочность в этом направлении, бла..
rодаря большему числу проходных участков макромолекул.
Развертывание складок макромолекул при растяжении обеспечи-
вает рост относительноrо удлинения в зависимости от скорости
вращения дор на.
Ориентацию макромолекул можно определить, если подверr"
нуть изделия термообработке при температуре несколько выше
температуры плавления, а затем замерить изменение размеров
в различных направлениях относительно координатных осей
z e. Как видно из рис. 5.38, усадка изменяется по кривой в виде
косинусоиды, которая смещается в зависимости от частоты враще..
ния дор на. Так, при неподвижном дорне усадка максимальна
вдоль направления экструзии (а == 0°) и равна примерно 50 %,
а в танrенциальном направлении ' (а == 90°) она приближается
к нулевому значению или становится отрицательной. По мере
увеличения частоты вращения дор на максимум усадки смещается
в область а == 73°, что ПРИl\-fерно совпадает с направлением вектора
cYMMapHoro напряжения, а минимальная усадка соответствует
образцам, вырубленным под уrлом а == 165°. Это указывает на то,
что большая ось макромолекулы ориентируется по направлению
cYMMapHoro напряжения сдвиrа Т.
141
% r,MM
5,0
*0
20 5
о за 60 120' 150 а о O2 6 10 1'1- 18 и;,мм/с
Рис. 5.38. Зависимость термической усадки образцов труб относительио координат z---O
при различной IlacTOTe вращения дорна. .
Рис. 5.39. Распределение скорости "2 по rJlубине формующGrо зазора r при раЗJlИЧНОЙ
частоте вращения доцна. -
При rидравлических испытаниях труб установлено, что трубы
изrотовленные с вращением дор на, выдерживают более высокие
давления и соответственно разрушаются при повышенных напря
жениях (1вв. Кроме Toro, значительно увеличивается долrовеч
ность труб: испытания на разрушения они выдерживают примерно
в два раза дольше, чем трубы, изrотовленные при неподвижном
дорне.
При течении расплава в кольцевом зазоре с вращающимся
дорном или вращающейся матрицей значительно изменяется эпюра
скорости v Z . При увеличении частоты вращения дор на она стано-
вится более вытянутой, максимальная скорость течения увеличи-
вается (рис. 5.39). Такое значительное изменение скорости объясня-'
ется влиянием на 'эффективную вязкость скорости сдвиrа, возни-
кающей в танrенциальном направлении при вращении формующих
элементо}З rоловки [см. уравнение (5.77)]. Зависимости осевой и
танrенциальной скоростей сдвиrа от уrловой скорости дорна и rpa
диента давления описываются уравнениями (5.97) и (5.100), а CKO
рость течения уравнением (5.1 О 1).
В тех случаях, коrда необходимо изменять степень ориентации
труб, применяют уrловые rоловки снезависимым лриводом враще-
ния дорна или формующеrо кольца (см. рис. 6:4).
В соответствии с изменением профиля, скорости снижается пере-
пад давления в rоловi{е, а производительность экструзионноrо
arpera a возрастает на 20 40 %. Повышения производительности
за счет снижения перепада давления в rоловке можно достичь
также при наложении вибрации на дорн или созданием ультразву
ковых колебаний в расплаве, однако этими методами нельзя це.пе
направленно влиять на прочность изделий.
5.2.3. Калибрование труб
Для придания профилю трубы заданных размеров и исключе
ния ее деформации в' охлаждающем устройстве трубы калибруют,
T . е. предварительно охлаждают с приданием расплаву определен-
ной конфиrурации и размеров. Калибрование можно проводить
142
по наружной или внутренней поверхности трубы, а также с исполь-
зованием сжатоrо воздуха или вакуума. Калибрование по наруж-
ному диаметру трубы с использованием сжатоrо воздуха показано
на рис. 5.40. ,
Трубчатая заrотовка расплава..... выдавливается из rоловки и
поступает внутрь металлической rильзы насадки. При подаче
сжатоrо воздуха внутрь трубы происходит ее некоторое раздувание
по диаметру, вследствие чеrо труба плотно прилеrает к охлаждае-
мым стенкам калибрующей rильзы. Чтобы не произошло разруше-
ния экструдата, насадка крепится вплотную к rоловке, а в ру-
башку калибрующей насадки подается охлаждающая жидкость.
Чтобы исключить прилипа,ние расплава, rильза насадки охлажда..
ется до температурьi, которая всеrда должна быть ниже темпера..
туры стеклования или плавления. При этом на поверхности трубы
образуется слой твердоrо полимера, который после выхода И3
асадки должен выдерживать внутреннее давление воздуха,
а также силы трения, возникающие в насадке.
Зависимость 'коэффициента трения от температуры насадкИ
показана на рис. 5.41, из KOToporo .следует, что для уменьшения
силы трения нужно стремиться к уменьшению температуры, однако
при этом необходимо учитывать изменение качества труб. Так, при
калибровании труб из кристаллизующихся полимеров в зависи-
мости от скорости. охлаждения изменяются размеры структурных
образований: чем НИ)l{е температура воды, тем они мельче в наруж-
ном поверхностном слое. С повышением температуры 'калиброва-
ния прочность труб в продольном направлении понижается,
а в танrенциальном практически не меняется. Однако при высокой
температуре увеличивается колебание свойств, т. е. нарушается
стабильность процесса, и возмо)кно появление поверхностных
МIIкротрещин.
При калибровании труб из аморфных полимеров в зависимости
от скорости охлаждения MorYT изменяться остаточные напряжения.
Чем НИ)l{е температура калибрования, тем они выше. Особенно это
характерно для жестких полимеров, таких, как блочный поли..
стирол
5'
Рис. 5.40. Калибрование трубы по наружному диаметру:
1 корпус rоnовки; 2 дорн: 3""":' каnибрующая Насадка; 4 труба; 5 пробка.
143
р
5
ЯА'МКМ'
0,'1
0,8
0,3
б
0,2
D,ч
1
D;2
020
о
10 20 30 '10 Т, ос
80
100 тн, ос
Рис. 5.41. Зависимость коэффициента трения J.L от температуры насадки Т н:
1 жесткий поливинилхлорид; 2 полиэтилен высокой плотности; 3 полистирол;
4 поливинилхлоридный пластикат; 5 полиэтилен низкой плотности.
)
Рис.- 5.42. Зависимость шероховатости поверхности R A от температуры воды в ка-
либрующей насадке: . ·
/ полиэтилен низкой плотности; 2 --- полиэтилен высокой плотности; J --- полипро-
пилен.
От температуры охлаждающей воды в насадке зависит также
шероховатость поверхности, что проявляется при переработке
только кристаллических полимеров (рис. 5.42). С повышение 1
температуры шероховатость труб понижается, так как поверхност
вый слой имеет меньшую степень кристалличности.
Давление калибрования выбирается в зависимости от диаметра
трубы, толщины ее стенки, а также свойств полимеров и темпера-
ТУРЫ. расплава. Обычно ero подбирают экспериментально при
запуске arperaTa. При этом следует учитывать, что при низком
давлении ухудшается внеШ!lИЙ вид труб (образуется поверхностная
рябь), а при чрезмерно большом снижается прочность и возрастает
коэффициент трения. Понижение прочности обусловлено скорее
Bcero появлением микротрещин вследствие возникновения больших
сил трения. Чтобы снизить силы трения внутрь насадки, между
трубой и калибрующей rильзой, подают сжатый воздух (CJ\I.
рис. 5.40), который образует как бы воздушную смазку, однако при
ЭТО 1 ухудшается охлаждение расплава. Поэтому целесообразнее
использовать калибрующие насадки с дренажным кольцом (рис.
5.43), в которых вода из водяной рубашки проходит через отвер-
стия rильзы и попадает в кольцевую проточку, расположенную на
внутренней поверхности, откуда тонким слоем течет между трубой
и rильзой, образуя смазывающий слой. Вследствие образования
плотноrо контакта между расплавом и rильзой резко повышается
скорость охлаждения трубы. Такие калибрующие насадки можно
использовать при изrотовлении труб из поливинилхлоридноrо
пластиката, КОТОРЫЙ обладает большим коэффициентом трения;
144
в оза .'С
1 2
. t 800(1.
tBoiJa
Рис. 5.43. Калибрующая насадка с подачей воды на охлаЖДаюЩУю поверхность tlерез
дренажн ые отверстия. .
Рис. 5.44. Калибрование трубы по наружному диаметру с ПJlавающей) пробкой:
1 калибрующая насадка; 2 труба; 3 охлаждающая ванна; 4 резиновое уплот
нение; 5 плавающая пробка; б цепь.
в этом случае без слоя жидкости технолоrический процесс калибро
вания практически невозможен. Для Toro чтобы в момент запуска
arperaTa вода не попадала на rоловку, охлаждение временно отклю-
чают или перекрывают дренажные отверстия. Для создания давле-
ния внутри трубы конец ее закрывают пробкой или несколько раз
переrибают под уrлом 180°. '
При производстве труб большоrо диаметра или труб из жестких
полимеров, которые не наматываются в бухты, а разрезаются,
применяют калибрование с плавающей пробкой (рис. 5.44). В дан-
ном случае внутрь трубы 2 вставляется пробка 5 с манжетами, KO
торая прикреплена к дорну rоловки цепью 6. Чтобы исключить
повреждение внутренней поверхности трубы, коrда расплав еще не
охлажден, длину цепи подбирают с таким расчетом, чтобы пробка
была расположена за тянущим устройством. Если пробка нахо-
дится до Hero, то при движении трубы от трения манжет пробки
возникают силы, вызываlощие упруrие колебания, которые затем
по трубе передаются на выходящий расплав, и,труба может полу
читься с кольцевыми утолщениями на внутренней поверхности.
Недостаток калибрования сжатым воздухом отсутствие воз
1\10ЖНОСТИ наблюдать за качеством расплава, ВЫХОДящеrо из ro-
ловки. Этот недостаток можно устранить, если использовать
вакуумную насадку (рис. 5.45). Для создания вакуума необходимо
обеспечить rерметичность между экструдатом и rильзой на входе,
поэтому диаметр формующеrо мундштука делают несколько
больше, чем диаметр rильзы. Необходимые размеры труба приобре
тает в результате ПРИ)l{атия экструдата к стенкам rильзы под
действием разности давлеция атмосферноrо воздуха и вакуума.
ПОСI{ОЛЬКУ невозможно создать большую разность давлений, этот
1\1етод неприменим при калибровании толстостенных труб. Кроме
Toro, невозможно уменьшить силы трения на стенках rильзы, так
как подача воды на ее внутреннюю поверхность в этом случае
IIсключается. Общим недостатком калибрования в насадках
с металлическими rильзами является плохая теплопроводность.
Для улучшения теплопроводности в водяной рубашке делают
145
Рис. 5.45. Вакуумная калибрующая насадка:
I lIOiOO roпOBKa; 2....... труба; 3 насадка.
Рис. 5.46. КaJlибрующая насадка из пластин:
J труба: 2 пластина; 3 орошающая форсунка; 4 - водяная ванна; 5 шпильки
6 охлаждающая вода.
спиральные каналы или, что эффективнее, используют для калибро--
вания' пластины (рис. 5.46). Трубчатая заrотовка протяrивается
последовательно через ряд пластин с калиброванными отверстиями,
которые орошаются водой из форсунок или поrружены в ван'ну.
Отверстия пластин имеют входную фаску или радиус закруrлеНИЯ t
а диаметр их рассчитывается с учетом последовательной усадки
трубы при охлаждении. При калибровании плаСТ,инами трубчатая
заrотовка раздувается сжатым воздухом, подаваемым внутрь
трубы, или за счет создания вакуума. В этом случае набор калиб..
рующих пластин помещают в rерметичную камеру, в которой
создают вакуум.. В этой e камере устанавливают форсунки для
разбрызrпвания БОДЫ.
Во всех рассмотренных мет'одах калибрования труба приобре- .
тает заданный размер по наружному диаметру. ВнутренниЙ
диаметр трубы зависит от толщины стенок. Для обеспечения задан...
Horo наружноrо диаметра трубы диаметр калибрующей rИЛЬЗ I
рассчитывают с учетом усадки ПОЛИl\1ера при охлаждении:
Dr == D и (1 + у /100) + !!,. (5.108)
rде 'DI' диаметр калибрующей rильзы; D п наименьший наружный диаметр
трубы ПО rOCTy; !!,. допуск на изrотовление rильзы; У усадка ПО..тIимера, %.
Диаметр отверстия l\1ундштука DM формующей rоловки опре..
деляют, исходя из размеров калибрующей rильзы:
DM == Dr/ ].01
С учетом (5.108) имеем:
DM == D п (100 + У)/101 (5.109)
Длина калибрующей rильзы должна обеспечивать необходимую
толщину твердоrо слоя полимера в поверхностном слое труБЫ t
выдерживающеrо силу трения и внутреннее давление... воздуха,.
подаваемоrо для калибрования. Сила трения на повеРХНОСТII
rильзы равна:,
F == nDrflвP
(5.110)
146
Толщина слоя полимера б, выдерживающеrо силу трения.
.должна быть
fJ F /1tDr [ат] > f1нP/[aT]
(5.111 )'
хде [н длина насадки; р давление воздуха; [ат]......... допускаемое напряже-
ние текучести при растяжении полимера для средней температуры по толщине
..-рубы; f коэффициент трения полимера о поверхность калибрующ й rильзы
Время охлаждения ПОЛИ .1ера, необходимое для образования
'твердоrо слоя толщиной б, находим из уравнения нестационарной
теплопередачи :
t == [п == 462 .2,31g ( Tp Tr ) (5.112)
VЗ п 2 а 1t TT Tr
-тде а температуропроводность при температуре Тер; vэ скорость отвода
'трубы; Т р температура расплава; Т1' температура калибрующей. rильзы;
т т температура текучести.
Решая совместно уравнения (5.111) и (5.112), находим:
[н <- ап 2 [ T]2 т Т (5.113)
4f2 р 2 vэ 2,31g ( р ,1' )
1t TT T1'
С друtой стороны, длина насадки должна быть такой, чтобы
.образовавшийся слой твердоrо полимера выдерживал внутреннее
давление. Рассматривая затвердевший слой как тонко тенную
цилиндрическую оболочку под давлением, имеем:
fJ pD1'/2 [От] (5.114)
Решая (5.114) совместно с (5.112), получаем:
22 ( 4 Tp T1' )
2,3р Drv э Ig n ТТ Т l'
lH 2[ ]2 (5.115)
ал от
Таким образом, два неравенства (5.113) и (5.115) определяют
расчетную длину насадки. .
При калибровании трубы по внутреннему диаметру используют
уrловые или, Z-образные rоловки 'с удлиненным охлаждаемым
дорном. Расплав после выхода из rоловки поступает на удлинен-
ный дор н , который охлаждается изнутри водой (см. рис. 5.27).
За чет контакта расплава с холодной поверхностью на внутренней
поверхности образуется слой твердоrо полимера, определяющий
конфиrурацию и размеры трубы. Поскольку при охлаждении
трубы происходит уменьшение диаметра, то выступающая охлаж-
даемая часть дорна должна иметь конусность, соответствующую
усадке. С целью уменьшения силы трения на дорне делают дренаж-
ные отверстия. для подвода воды. При изrотовлении TP 9 !i ..ПОЛИ-
этилена высокой плотности между трубой и охлаждаемым дорном
необходимо создавать вакуум, иначе трубы получаются неrлад-
кими.
В зависимости от метода калибрования изменяется картина
.распределения внутренних напряжений в трубе после охлаждения.
Так, при калибровании по наружному диаметру верхние слои
147
--а ее
а
б
8
" ee
а
+С1 ВВ
Рис. 5.47. Распределение напряжениА по толщине трубы:
а при калибровании по Наружному диаметру; б то Же, но при наличии внутрен
Hero давления; в при калибровании на дорне; 2 то же, но при наличии внутреН-
Hero давления (вверх направлены растяrивающие напряжения).
трубы в процессе усадки сжимаются, а Вl:lутренние растяrиваются
(рис. 5.47, а). При эксплуатации труб под действием' давления
в них возникают растяrItвающие нормальные напряжения, которые
совпадают по знаку с остаточными напряжениями во внутреНI:IИХ
слоях. В связи с этим в трубе появляются большие растяrивающие
напряжения (рис. 5.47, б), под действием которых может произойти
ее разрушение.
При калибровании по внутреннему диаметру вначале охлажда-
ются внутренние слои. При последующем охлаждении происходит
усадка наружных слоев, за счет чеrо внутренние слои сжимаются и
в них возникают положительные танrенциальные напряжения
(рис. 5.47, R).ПРИ создании внутри трубы давления, возникающие
напряжения частично компенсируются остаточными положитель-
ными напряжениями, поэтому на трубу действуют меньшие растя-
rивающие напряжения (рис. 5.47, с) и она способна выдерживать
большее внутреннее давление. Калибрование на удлиненном охлаж-
даемом дорне применяется при изrотовлении тонкостенных пласт-
массовых труб. В случае изrотовления труб с большой толщиноЙ
стенки расплав полностью не охлаждается на дор не, поэтому при
входе в охлаждающую ванну возникает твердый слой расплава на
наружной поверхности. При последующем охлаждении расплава
в центральных слоях стенки трубы MorYT появиться раковины, так
как твердые слои на внутренней и наружной поверхностях трубы
препятствуют усадке. В связи с этим при изrотовлении труб
большой толщины охлаждаемую часть дорна необходимо делать
укороченной, чтобы происходило лишь частичное охлаждение
расплава на внутренней поверхности, а полное в охлаждаю-
щей ванне. При таком двухстороннем охлаждении можно
увеличить скорость отвода трубы и структура, образующаяся по
толщине трубы, становится более однородной. Длину охлаждаемоЙ
части дорна рассчитывают так же, как и длину rильзы при калиб
ровании по наружному диаметру, однако в уравнения" (5.113) и
(5.115) вместо DI' подставляют значения BHYTpeHHero диаметра
трубы.
148
5.2.4. Охл дение труб
Охлаждение труб проводится орошением их водой или про-
пусканием через водяную ванну. Основное требование к этой
операции равномерное и быстрое охлаждение расплава. По-
скольку труба движется в rоризонтальном направлении, то созда
ются неравномерные температурные поля по верху и по низу тр'убы.
Чтобы исключить это, в ваннах обеспечивается интенсивное
перемешивание жидкости, для чеrо устанавливают барботажные
трубки, разбрызrивающие форсунки или создают' спиральный
поток BOKpyr трубы. Интенсивное перемешивание необходимо
также для удаления пузырьков воздуха, оседающих на поверх.
ности трубы и нарушающих теплообмен. В противном случае
поверхность становится дефектной (с оспинами).
Температура охлаждающей воды обычно выбирается в зависи
мости от полимера, а также с учетом требованиЙ, предъявляемых
к трубам. При очень низкой температуре повер'хностные слои
имеют аморфную или мелкокристаллическую CTPYI{TYPY, а во
внутренних слоях возникают кристаллические образования боль
ших размеров. Для выравнивания структуры применяют охлажде
ние по зонам, с различной температурой или двухстороннее
охлаждение. В некоторых случаях для этоrо внутрь трубы подают
водно-воздушную смесь или охлажденный воздух.
Трубы хорошеrо качества получаются, если температура рас"
плава на внутренней поверхности после выхода из ванны ниже
температуры плавления или текучести. Поэтому необходимо-
обеспечивать определенную скорость отвода трубы тянущим
устройством. Если отвод трубы чрезмерно ускорить, на внутренней
поверхности расплав срезается плавающей пробкой и rладкость
трубы нарушается. Высокая температура на внутренней поверх--
ности после охлаждения приводит к увеличению размеров кри"
сталлических структур и ухудшению качества труб, возможна
также деформация труб при сжатии их треками тянущеrо устрой -
ства.
5.2.5. N\аркировка и упаковка труб
После охлаждающей ванны труба поступает в тянущее устрой
СТВО, с помощью KOToporo обеспечивается постоянная скорость
отвода трубы. При этом труба должна иметь хорошее сцепление
с треками или роликами тянущеrо устройства, исключающее ее
проскальзывание и появление вследствие этоrо кольцевых утолще
ний стенки.
По ходу движения трубы обычно устанавливают устройство
для измерения ее длины и маркировки (см. рис. 5.22). Надпись на
трубы наносится накаткой краски или методом rорячеrо тиснения.
На обоrреваемом ролике надпись выполняется в виде' выступа-
ющих знаков, которые при нажатии на трубу Gставляют уrлуб-
ления.
-,
149
rибкие трубы сматывают в бухты определенноrо радиуса,
nредус отренноrо rОСТами или техническими условиями. Бухты
связывают и в таком виде после испытаний отправляют потре-
бителю. .
Трубы большоrо диаметра с помощью режущеrо устройства
разрезаются на отрезки определенной длины и упаковываются
в виде связанноrо пучка. При изrотовлении труб, а также перед их
упаковкой периодически проводится визуальный осмотр! измере-
ние основных размеров (диаметра, толщины стенки) и испытание
на соответствие rOCTaM.
.2.6! Расчет технолоrических парамеТРО8 процесса
Расчет температуры расплава в формующей rоловке. Как уже
было рассмотрено ранее, температура расплава при формовании
выбирается в интервале между температурой текучести и темпера"
"'Турой разложения. Однако этот интервал очень широк, поскольку
.вязкость расплава изменяется на порядок и больше. .Чтобы сузить
указанный интервал температур, воспользуемся реолоrическими
данными. ·
Известно, что полимеры перерабатываются при различных
'Температурах, но для каждоrо. метода выбираются температур,ы,
.обеспечивающие необходимые значения вязкости расплава. Так, при
производстве труб вязкость должна быть сравнительно высокой,
чтобы не происходила самопроизвольная деформация экструдата
на вы?,оде из rоловки и не нарушалась трубчатая форма профиля.
При изrотовлении пленок щелевым методом, коrда расплав сразу
принимается на барабан, вязкость может быть очень низкой.
При изучении реолоrических зависимостей различных полиме-
ров при температурах переработки было замечено, что для каждоrо
метода переработки выделяется отдельная область. При этом для
определенной rруппы полимеров эти области сравнительно узкие.
На основе экспериментальных данных по этому принципу состав-
.лена расчетная HOMorpaMMa для определения температуры рас-
плава термопластов (полиэтилен, полипропилен'- полистирол,
полиформальдеrид и пластифицированный поливинилхлорид) при
ИЗ,rотовлении изделий методами экструзии и литья под давлением:
(рис. 5.48, а). Для удобства расчетов на HOMorpaMMe HaHecel a
,шкала вязкости и шкала показателя текучестu расплава. Как
'видно из HOMorpaMMbI, производство труб или трубчатых заrотовок
,для выдувания осуществляется при более высокой вязкости, чем
,пленок. Еще меньшей вязкостью должен обладать расплав при
литье под давлением. Естественно, что перерабатывать полимеры
IОЖНО и при иных значениях вязкости, однако при этом возрастает
давление в узлах arperaToB, повышаются энерrетические затраты
и изменяется качество изделий. Следует заметить, что данную
HOMorpaMMY' нельзя использовать для всех полимеров. Например,
расплавы поликарбоната и полиметилметакрилата имеют высокую
'вязкость, повышение температуры вызывает их теР fическую
450
/ """ " " " " / ,,/ / " / / / / / / .
I I I
:$
:
.... $
I / "
' с:::; ? l/ ''7" /)< .'
).>'" fj V ,. '3 ч
i I I I . ;>
rtJ,1 D,z I -t
li "1 I .:: --X/ V
" #
п J бl..J..i I . I
I 11 I I I .. "1 'l /(J m: , ,a 10мин .
0,1 J7,. I 10 при 9 Н u радиусе Kan(}.k-
/ 12 J '1 ляра 1мм
k« ,« '/ '/ 5 6 78 10 i,ej10MuH .
/h 7/ z; при 21,2 Н lL радиусе
,.... & капилляра 1 мм
'\;
".А 7/ /// /L
У
103 8 б 5 ч 3
2
105
t:3 8
.с::::
6
5
'"
J
...
t:::s.
с\)
::::J
С1С::)
rt::)
t..)
Q,:)
i5 2
10*
8
6
5
* J '+ 5 6 8 10 о
Рис. 5.48. HOMorpaMMa
ДЛЯ расчета температур ы
расплава термопластов
(а) и схема (6), пояс
няющая пользование HO
моrраммой:
J Изrотовление труб
метоДОМ экструзии; 2
изrотовление пленок py
кавным метоДОМ; 3
изrотовленНе пленок ще-
левым метоДОМ; 4
Jfзrотовление ИЗДелий
литьем под давление .
а
Эq}(ректuбная ВЯЗКDсть, Па'с
2 10* 8 б 5 ч J 2 '105 8 б 5 ч 3
2
2 J * 5 6 8 10.1
2 J ч 5 б 8 102. 2 J"
Скорость сD6ава, с" 1 .
5
t::S t'з
(\) "
::::s п
CIC:) 'r '
п
'С 2
cu
::::s
:х::
cu
'r n
c:s
:х:; 'r i
'/
Уп
Yi
Ур t Снорост6 сО6uеа.
деструкцию, поэтому их следует перерабатывать в иных условия ,..
чем друrие полимеры, и пользоваться для расчетов друrой HO '
моrраммой. Переработка полиамида и полиэтилентерефталата"
наоборот, происходит при очень низкой вязкости. К тому же.
расплавы этих полимеров обладают очень слабой аномалией
вя;зкости. Для них также должна быть составлена своя расчетна
HO 10rpaMMa. Таким образом, температуру расплава отдельных
rрупп полимеров рассчитывают одинаковыми методами, но с ис
пользованием различных HOMorpaMM.
Расчет температуры расплава основан на использовании
u
показателя текучести расплава или реолоrических зависимостеи
полученных при определенной температуре, 11 сравнении их.
с реолоrической областью HOMorpaMMbI для применяемоrо метода
переработки. В данном случае используется зависимость вязкости
. 151
расплава полимера от температуры и вязкость, соответствующая
реолоrической области переработки.
Рассмотрим методику расчета с использованием показателя
.текучести расплава. Исходные данные: T i температура испыта-
ний; G i вес rруза; i показатель текучести расплава; R
радиус капилляра; R 1U радиус штока. По уравнениям неуста-
новившеrося изотермическоrо течения (3.2) и (3.3) рассчитывают
напряжение сдвиrа Li и скорость сдвиrа Vi. Для расчетов неоБХG-
.димо знать плотность расплава при температуре T i , показатель
степени п и входовый поправочный коэффициент т. Эти значения
обычно находят по справочникам или опредеЛЯIОТ для данноrо
полимера экспериментально.
Пользуясь найденными значениями Li и Vi, находим на номо-
rpaMMe исходную реолоrическую точку (точка А на рис. 5.48, б).
.Эту же точку можно установить, используя значение показателя
текучести расплава. Например, для полиэтилена низкой плот"
ности С покззателем текучести расплава i == 3 r/l0 мин эта точка
соответствует координатам: Vi == 10 c l, 'ti == 1,45.104 Па (точка А
На рис. 5.48, б). При скорости сдвиrа Vi в области п реработки
находим новую точку В, дЛЯ которой напряжение сдвиrа равно
'Тn. Используя полученные значения 'ti и '{ n ' рассчитываем темпе-
ратуру расплава на выходе из формующей rоловки Т n:
т т i Т У ( 5 116 )
n E 2,3 RT i 19 ('t"i/'t"n) ·
rде Ti температура измерения показателя текучести расплава полимера, К;
Еу энерrия активации вязкоrо течения, Дж/моль; R rазовая постоянная.
Энерrия активации 'Y определяется rрафически (см. рис. 2.9)
или экспер ментально при V == Vi. В тех случаях, коrда известна
энерrия активации при постоянном напряжении сдвиrа, на номо"
rpaMMe при напряжении сдвиrа Li выбирают точку С, дЛЯ которой
находят значение 'Уп при 'ti == const. Температуру при этом рас-
'считывают с использованием энерrии актиЬации E , найденной
при напряжении сдвиrа Ti:
т т Е-.;
n Ц-r 2 ,3RT i 19 Vn/Vi
Если точка А, соответствующая исходным реолоrическим
данным полимера, располаrается в области переработки, то Т n ==
== T i . Например, для полиэтилена низкой плотности с показателеiVl
текучести расплава 0,3 r/l0 мин точка А попадает в область пере-
работки полимера методом экструзии (изrотовление труб). По-
скольку показатель текучести расплава определяется при темпе-
'ратуре T i == 190 ос, данную марку полиэтилена можно перераба-
тывать. при этой же температуре.
Расчет температуры расплава по значению эффективной вяз..
кости. При данном варианте расчета используется" численное
.значение эффективной вязкости 1}у, найденное при температуре Т 2
и скорости сдвиrа 'УР.
152
(р.117)
Исходную реолоrическую точку на HOMorpaMMe (см. рис..
5.48, б) находят в месте пересечения линий вязкости 11" и скорости
сдвиrа \'р точка D. Затем при этом же значении скорости сдвиrа
\'р на средней линии области переработки выбирают точку В'.
Значения напряжений сдвиrq, соответствующие точкам D и В',
подставляют в уравнение (5.116), а T i заменяют на температуру
измерения вязкости Т 2 и рассчитывают температуру расплава.
Если для данноrо полимера имеется реолоrическая кривая, то-
выбирают произвольные значения напряжения и скорости сдвиrа,.
найденные при любой температуре T j . Для повышения точности
расчета исходную точку выбирают обычно при скорости сдвиrа ,
развивающейся при течении расплава в формующем канале.
rолов и. Зная реальную скорость сдвиrа, на кривой течения OTMe '
чают точку F с координатами '1:2 и \'2, а на средней линии области
переработки точк'у В" (см. рис. 5.48, б). Далее расчет проводят-
аналоrично рассмотренным ранее вариантам, используя значения
"
напряжения сдвиrа 1'2 и '{п.
Выбор первоначальных условий для нахождения точки F'
зависит также от значения энерrии активации вязкоrо течения.
Если эта величина известна для определенноrо значения скорости.
или напряжения сдвиrа, то точку F наносят для этих значений.,
\' или 1'.
Предлаrаемая методика расчета позволяет уменьшить интервал
температур переработки, однако для определения оптимальноrо
значения температуры переработки необходимо экспериментально.
уточнить режим с учетом требований, предъявляемых к качеству
изделий, а также специфических особенностей конструкций
машины и формующих rоловок.
С помощью данной методики можно определить минимальную
и максимальную температуру переработки. Для этоrо наносят две-
расчетные точки на нижнюю и верхнюю rраницы области пере
работки, а затем соответственно находят два значения напряжений'
сдвиrа 'I: ип И Тманс' по которым рассчитывают максимальную и
минимальную температуры.
Определение скорости отвода труб. При наружном калибро
вании расплав частично охлаждается в насадке, а окончательно,
в охлаждающей ванне, поэтому общее время охлаждения будет'
равно:
t охл :=: (lп + lохл)/fJ э (5.118}
rде [н и lохл длина калибрующей насадки и охлаждающей ванны.
L{ля нестационарноrо процесса теплопередачи через пластину'
имеем:
00
T(tx) Te == ( I)n+lcos,.... exp ( f.12Fo )
т р т е f.1n n б n
n==1
rде Ttx текущее значение температуры во времени и по координате х; Те
температура наружной поверхности трубы; Т р температура расплава; t.n ==
== (2п 1) (1[/2), а n == 1, 2, 3 и т. д.; Fo критерий Фурье, Fo == at/x 2 ; x .
текущая координата по толщине пластины б.
(5.119)/
153;
'8
'1, О
в "'-= 1 [[11
..... ,. ...............
! \" r "........... ......... 8 i = 0,5
,.........
I ' ' \ , ...-- 0,,2
"'-
Bi=1'" \ " , \ \ , .... 0,1
\
i 2 " \ i\. "0.05
i 5 .....11 \\ r\ \
10 , \ \ \ i\
00 \ \ i\ \ \
I I ! 11 i \ ,\( \J I ' ,1\111
I i , J . '" "Ni1}
-......: .:N...
Рис. 5.49. HOMorpaMMa АЛЯ расчета
времени ОХJlаЖАения с за,цавной безраз-
мерной величиной в при нестационар-
ной теплопередаче через пластину при
различных значениях критерия BI.
0,8
0,6
О, Lf
..0,2
0001
"
0,1
1 J O
Известно, что, если Fo >
0,1, 'то при использова-
нии oAHoro члена ряда (5.119)
ошибка в расчетах соста-
вляет около 5 %. Поэтому
.сохранив первый член ряда
уравнения, можем рассчи-
at71 тать температуру на внутрен-
ней .поверхности трубы Tt:
Т t Т с ==...!.. е...... пl Fo/4
Tp Tc ""
10
(5.120)
Чтобы исключить неизвестную величину температуру
\Стенки трубы, введем коэффициент теплоотдачи, а вместо Те
подставим температуру охлаждающей воды ТВ. Заменяя критерий
Фурье ero значением из уравнения (5.50) и используя (5.118),
находим:
Vэ<
.п 2 ([н. + loxJI)
2 R . ( RH R B 1 ) ( 4 Тр ТВ ) ,
9, ср ( н R B ) Ар + --;;-- 19
\N "11 Tt TB
(5.121)
тде c и р удельная теплоемкость и плотность полимера при средней темпера-
-туре; R п и RB наружный и внутренний радиус трубы; коэффициент
плоотдачи; Ар теплопроводность расплава полимера.
.Для исключения деформации трубы принимаем, что темпера"
-тура на внутренней стенке трубы должна быть равна Т ПЛ Tt == Т ПЛ.
ДЛЯ более точных расчетов, можно использовать rрафоанали -
'тический метод. Зная температуру охлаждающей воды Т в ан ало-
:rично приведенному ранее расчету, находим безразмерную вели"
'Чину 8:
8 == (Tt ТВ)/(Т р ......... ТВ)
Затем рассчитываем критерий Био; Bi == аВ/лр. По найде'нным
значениям Е> и Bi пользуясь rрафиком рис. 5.49, на оси абсцисс
lIаходим значение критерия Фурье Fo, а затем с учетом (5.118)
можем рассчитать скорость отвода трубы:
а (lH + lОХЛ)
v з == Fo (RH RB)2
(5. 122)
Расчет давления воздуха при калибровании. При подаче сжа..
loro воздуха внутрь трубы или создани,и вакуума выходящий из
rоловки расплав расrяrивается в танrенциальном направлении.
Значение НОР Iальноrо напря)кения аве зависит от - скорости
.деформации и вязкости:
0'88 == 81)р
(5.123)
154
rде т]р вязкость расплава при растяжении; е скорость деформации ДJlЯ рас--
тяжения в танrеНЦИaJIЬНОМ' направлении; ,
v з dr
8 == ..........
r dz
Принимаем, что радиус трубчатой. заr.отовки изменяется по
длине прямопропорционально, тоrда dr/dz == const или, переходя'
к конечным величинам, получаем:
8 == ОЭ (Dr DM)/DMAl (5.124)
Используя уравнение прочности для тонкостенной цилиндри
ческой оболочки Рн == 2<188 (R п RB)/D M , а также уравнение
(5.123), после подстановки скорости деформации находим давление
воздуха калибрования Рн:
2КV э 1]р (Dr .DM) (RH R B )
Рн AlD 2 (5.125).
м
rде К постоянная, для инженерных расчетов можно принять К === 2; Al
расстояние от rоловки до точки прилеrания расплава к насадке, ориентировочн()
можно принять Al == 0,5 см.
При вакуумном калибровании остаточное давление в насадке Ро-:"
Ро Рв Рк
rде РВ давление атмосферноrо воздуха.
, .
Полученное значение давления уточняется с использованием
двух неравенств (5.113) и (5.115), решая которые, находим:
п [о"т] Уа (5.126)
Р ""> -V 4,6D н fv э 19 ( : = l )
Расчет перепада давления в rоловке. Для нахождения потерь..
давления весь путь движения расплава в rоловке разбиваюТ'
условно на участки с постоянной rеометрической формой каналоа
и нумеруют их. Разметку каналов проводят обычно, начинак
с фильтрующей сетки по ходу движения расплава. Так, ДЛ$!
rоловки, показанной на рис. 5.23, путь течения расплава можно'
разбить на 7 участков.'
Затем, используя уравнения табл. 5.1, по 'объемному pacxoд
ра<;считывают для каждоrо участка rрадиент скорости. По кривой.
течения при температуре Т р для данноrо полимера или по среднек
линии реолоrической области переработки (см. рис. 5.48), находяТ"
напряжения сдвиrа для всех участков rоловки и, используsr
уравнения табл. 5.1, определяют перепады давлений Pi.
Для расчета можно ИСПО.пьзовать также уравнения, учитыв.аю.....
щие потери давления на входе в канал [см. уравнение (2.67) илw
(2:68) J. Суммарный перепад давления на всех участках для труб....
ной rоловки должен быть равен:
i ==:. n
10МПЛ 1J APi 15 МПА
i==l '
(5.,127)\,
155"
т АВЛИЦА 5.1. Формулы для расчета скорости сдвиrа и перепада
давления в каналах .
R радиус канала; 1 Длина канала; Ь и h ширина и rлубина ПрЯмоуrольноrо
канала; с число параллельных каналов на расчетном участке; n показатель степени;
V объемный расход; -r напряжение сдвиrа;, т входовый поправочный коэффи
циент'(принимается для тех участков, rAe имеется резкиЙ переход от oAHoro сечения Ka
нала к друrому или поворот канала на 900), значеНlIЯ т находят обычно экспериментально
или из литературных данных.
Форма кана.1а
..;, c 1
APi' Па
Цилиндрическая
3n + 1 V
п лR3 с
3п + 1 (R + R ) v
n nR R 2c
2 (2п + 1) V
n (h + Ь) h 2 c
2 (2п + 1) V
n bh 2 c
2п + 1 V
п лR ср (R 2 R 1 )2 С
2 (2п + 1) V
п (Ь ср + h) h 2 c
2'( (1 + mR)
R
2'r (1 + mR cp )
Rcp
2't (1 + mh) (Ь + h)
hb
2,; (1 + mh)
h
2,; [1 + т (R 2 Rt)]
R 2 Rl
2'r (l + mh) (Ь ср + h)
hb
Коническая
Прямоуrольная
Щелевая
Кольцевая h ===
-=== R 2 R 1
Трапецеидальная
Ь 1 + Ь 2
Ь ср == 2
JЭ.3. ТЕхнолоrия ПРОИ3ВОДСТВА ПЛЕНКИ РУКАВНЫМ
МЕТОДОМ
Процесс изrотовления пленки рукавным методом (раздувом)
основан на непрерывном выдавливании расплава полимера через
узкую кольцевую щель формующей rоловки с последующей
вытяжкой рукава в продольном и поперечном направлениях и ero
охлаждением. При даННОl\1 методе формования расплав выдавли
вается в виде TOHKocTeHHoro цилиндра (рукава), который после
растяжения и охлаждения наматывается сдвоенным полотном или
разрезается и наматывается как плоская пленка. Таким методом
MorYT изrотаВJ1иваться пленки из термопластичных полимеров,
расплав которых обладает значительными вязкоупруrими свой-
.ствами, обеспечивающими устойчивость рукава при ero отводе и
-охлаждении.
Конструктивно процесс может осуществляться с ВЫТЯЖI{ОЙ
рукава вверх, вниз и в rоризонтальном направлении. Наибольшее
применение находит процесс изrотовления пленки с отводом
рукава вверх па arperaTax со шнековым экстру дером, поскольку
дисковые экструзионные машины не обеспечивают создание
высоких давлений, необходимых для выдавливания (течения)
расплава через узкую кольцевую щель с большой скоростью.
В последнее время используют также пленочные arperaTbI с OTBO
156
Рис. 5.50. ТеХНОJlоrическая схема производства ПJlенки
рукавным методом:
1 формующая rоловка; 2 экструдер; 3 кольцо; 8
4 рукав; 5 направляющие пластины; 6 ТЯНУЩИе OVQ
валкИ; 7 приемное устройство.
дом пленки вниз; при таком исполне-
нии удобнее осуществить жидкостное
.охлаждение рукава. Отвод пленки в ro-
ризонтальном направлении применяется
при изrотовлении рукавов небольшоrо
диаметра, так как при больших диамет-
рах возможен проrиб рукава и HepaBHO
мерная вытяжка пленки. В данном СЛУ1
чае из за наличия несимметричных циркуляционных тепловых
потоков трудно обеспечить равномерное охлаждение рукава.
Процесс производства пленки pYKaBHЫl\ll методом состоит из
следующих технолоrических операций: 1) подrотовка сырья;
2) плавление rранул и rомоrенизация расплава; 3) формование
рукава; 4) ориентация и охлаждение пленки; 5) намотка и упаковка
пленки; 6) контроль качества пленки.
,Технолоrическая схема процесса показана на рис. 5.50. rpa-
нулы полимера заrружаются в бункер экструдера 2. Заrрузка
{)бычно осуществляется с помощью пневмо" или BaKYYMHoro устрой-
ства, которым оборудуются бункер или транспортная тара для
сырья. Для заrрузки rранул, опудренных красителем, применя-
ются шнековые спиральные дозаторы. Из экстру дера 2 полимер
в виде, расплава выдавливается через формующую rоловку 1,
а внутрь рукава 4 подается сжатый воздух. Снаружи пленка
обдувается струей 'воздуха из кольца 'З. Охлаждаемый рукав
. '
складывается в виде сдвоенноrо полотна направляющими пласти-
нами 5 и попадает в тянущие валки 6, один из которых для исклю-
чения утечки воздуха из рукава имеет эластичное покрытие.
Пленка наматывается на бобины с помощью' приемноrо устрой-
ства 7.
5.3.1. Подrотовка сырья, плавление .rранул
и rомоrенизация расплава
Подrотовительные операции включают сушку полимера, окра-
шивание и смешение rранул (см. rл. 4).
Основные физические закономерности, характеризующие про-
цесс плавления rранул полимера и rомоrенизацию расплава,
подробно рассмотрены в разделе 5.1, однако при изrотовлении
пленки требования к качеству расплава повышаются. Это в первую
очередь относится к 'степени rомоrенизации, равномерности Harpe-
вания расплава и отсутствию включений.
Для достижения лучшей rомоrенизации расплава при изrотов"
Т}ении пленок используются экструзионные arperaTbl с более
мелкой rлубиной нарезки шнека в зоне дозирования при степени
сжатия 3,5 4. При ЭТОl\'1 технолоrичеСКllе параметры работы
157
экструдера подбираются ,таким образом, чтобы уменьшить колеба
ние производительности, так как в ПРОТИВI:IОМ случае возрастает'
разнотолщинность пленки, вызывающая нарушение процесса
ориентации и охлаждения.
Длина зоны дозирования экструдера должна быть около 8
10 D (D диаметр шнека), чтобы обеспечить высокое давление и
выравнивание температуры расплава по сечению. При увеличении
длины шнека также улучшается перемешивание расплава и првы-
шается rомоrенизация. Темпер тура выходящеrо расплава зада
ется несколько выше, чем при производстве труб и зависит от'
марки полимера. Рассчитывают температуру с использованием.
реолоrической HOMorpaM bI (см. рис. 5.48).
Чистота вращения шнека и ero rеометрические размеры ВрIби .
рают в зависимости от ширины и толщины пленки и максимально.
допустимой скорости отвода пленки. При этом максимальная
производительность экструдера может быть найдена по уравнению.
(5.105). .
Для изменения степени rомоrенизации экструзионные машины
при производстве пленок целесообразно оборудовать дроссельным
устройством. При уменьшении сечения кан?ла в дросселе п.овыша-
ется давление в цилиндре и соответственно степень rомоrеНИЗ6ЦИИ.
расплава.
Следует отметить, что при изrотовлен и пленок к выбору
технолоrическоrо режима.. работы экструдера и точности реrулиро-
вания параметров предъявляются более. высокие требования, чем
при производстве труб.
J>.З.2. Формование рукава
Придание расплаву полимера конфиrурации цилиндра (рукава)
осуществляется в формующих кольцевых rоловках. Наиболее
часто для формования пленки используют уrловые rоловки с боко..
БЫМ подводом расплава и каnле'образным распред лителем на
дорне (рис. 5.51, а). Расплав из патрубка подводится к дopHoдep
жателю 4, разделяется на два потока, оrибающих ero с двух
сторон, а затем течет, поворачиваясь вдоль оси rоловки. На HeKO
тором расстоянии после поворота каналы расширяются, и расплав
переХОД!iТ в сплошной кольцевой канал, образованный дорном 2
И корпусом 1. Схема течения расплава BOKpyr ДОрН,.а показана на
рис. 5.51, б. В данной конструкции rоловки при слиянии потоков
образуются два шва (линии спаев), которые ослабляют прочность
пленки и ухудшают ее внешний вид. Обычно. такие rоловки при
меняют в том случае, коrда пленка разрезается на два полотна и
кромки с линиями спаев срезаются.
Pery лирование разнотолщинности пленки проводится ' ($tеще--
нием формующеrо кольца б винтаl\1И Ь. Поско.пьку смещение должно
осуществляться с большой точностью, то применяют винты с мел..
кой резьбой или дифференциальные (рис. 5.52). Формующее кольuо
7 перемещается между фланцем 6 и корпусом 1 с помощью резьб
158
а
5
'Рис. 5.51. Vr.овая формующая ("ОJlовка с каПJlеобразиым распределИТ8Jlем раСПJlава.
.а rоловка в разрезе: 1 корпус; 2 дорн; 3 корпус патрубка; 4 .... дорнодержа-
тель; 5 ниппель; 6 мундштук; 7 фланец; 8 винт;
б схема распределения расплава по периметру (развертка дорна): 1 отверстие
патрубка; 2 каплеобразный распределитель; 3 раЗВОДЯЩИе каналы.
ВОИ ВТУЛI{И 4, которая одновременно движется по резьбе винта 5.
I1ри вворачивании втулка 4 перемещается относительно корпуса
на шаr t 1 , а поскольку при этом происходит свинчивание ее с винта
5, имеющеrо друrой шаr резьбы t 2 , то мундштук перемещается
относительно корпуса на расстояние S == t 1 t 2 . Шаr нарезки
втулки и шаr нарезки винта обычно отличаIОТСЯ на 0,25 мм, поэтому
за полный оборот втулки мундштук смещается относительно
дорна на 250 мкм. Для удобства реrулирования винт 5 закрепля-
ется неподвижно во вкладыше 3, а шаr резьбы на втулке должен
быть больше, чем на винте: t 1 > t'!.. Чтобы и ключить перекос
винтов при смещении l\1ундштука, в нем делают пазы, в которые
вставляют вкладыши 3. .
В rоловках с боковым подводом расплава конструкция распре-
делительных каналов обусловливает различные скорости течения,
Рис. 5.52. РеrУJlирование раЗНОТОJlЩIIННОСТИ дифференциаJlЬНЫМИ винтами:
1 корпус; 2 дора; 3 вкладыш мундштука: 4 реrулирующая втулка; 5 ... вив.,.
-6 фланец; 7 мундштук. ,
ис. 5.53. Формующая rOJlOBKa с радиальным распредеJlением раСПJlава на дорне:
J ,.... Формующее кольцо; 2 корпус;. 3 ....... Дора} 4 - патру ок; 5 решетка фильтра.
159'
так как по внутренней и по внешней траектории расплав совершает
различный путь (см. рис. 5.51, б). Чтобы выравнять потоки,
распределительные каналы, изrотавливают различной rлубины,
что усложняет конструкцию. В уrловых rоловках с коллекторным
распределением расплава аналоrично :rрубной, показанной на
рис. 5.27, этот недостаток частично ликвидируется, однако несим
метричность каналов сохраняется.
Более равномерное распределение достиrается при исполь
зовании цилиндрической решетки дорнодержателя (см. рис. 5.26)
или rоловок с радиальными распределительными каналами
(рис. 5.53). Расплав из уrловоrо патрубка 4 течет по централь
ному осевому каналу, а затем разделяется на несколько радиаль
ных потоков, которые переходят в спиральные винтовые каналы
переменной rлубины, вследствие чеrо ликвидируются линии спаев
и обеспечивается симметричность потоков. В данном случае ис
пользованы преимущества rоловок двух вариантов (см. рис. 5.25
и 5.26).
Технолоrические расчеты rоловок включают определение диа
метра дорна D д и радиальноrо зазора h. Используя коэффици нты
вытяжки И раздувания, а также размеры пленки, находим:
h == бпКрК в
D д == В/лК р
(5. 128)
(5.129)
rде б'и толщина пленки; К р и КВ коэффициент раздува и вытяжки; В
ширина пленки (периметр рукава).
Коэффициенты вытяжки и раздува соответственно равны:
К в == fJп/fJэ
(5.130)
(5.131)
К р == Dп/D д
rде vп и vэ. скорость движения пленки и экструдата; D п диаметр пленоч
Horo. рукава.
Длина формующих элементов пленочных rоловок в первую
очередь влияет на мутность пленок. Так, при малой длине KaHa
лов, если при этом также изменяется площадь их сечения, на входе
возникают значительные напря)кения сдвиrа, которые обусловли
вают ,периодический срыв расплава или появление шероховатости
(явление эластической турбулентности). При увеличении длины
формующеrо канала напряжения сдвиrа частично релаксируют
и мутность пленки уменьшается (рис. 5.54). Для расчета длины
формующеrо канала можно использовать уравнение (5.107).
На качество пленки оказывает также влияние фильтрующий
пакет (размеры отверстий и число сеток). Для улучшения каче
ства необходимо использовать сетки с более мелкими отверстиями,
однако они быстрее забиваются и требуют частой очистки или
замены сеток. Число сеток и их размеры выбираются эксперимен
тально в зависимости от требований, предъявляемых к пленке,
вязкости и степени чистоты полимера. Ориентировочно сетки,
160
0,75 90
/fo '" '" «,e b"
,.oq q ()QU: u."
J #/ ,"';'/?;J,O J ч5 \\ \)\I. b , ?, \ tJI
ot,
Рис. 5.54. Влияние длины формующих каналов L и уrла входа 'Ф на мутность пленки
из полиэтилена.
10
8
6 Ф
1з t Мутность, СУо
11.
11
Рис. 5.55. Влияние- производитеJlЬНОСТИ 9кструдера и коэффициента раздура на MYT
ность пленки.
пр и меняемые для набора фильтрующеrо па кета , ДОЛЖНЫ иметь
ледующие размеры:
Ти псетки
Крупная Средняя
Мелкая
Диаметр проволоки, мм
Размер ячеек, MI{M
Число ячеек, шт/ см 2
Поверхность в свету, %
0,37 0,16
560 250
144 576
34 37
0,052
75
6400
34
Число мелких сеток подбирается в зав симости от перепада
да ления на фильтрующем пакете, которое не должно быть бо
лее 3 5 МПа.
Из технолоrических параметров наиболее сильное влияние на
качество пленки оказывают температура и скорость течения
расплава, а также коэффициент раздува. Так при увеличении
температуры расплава мутность пленки понижается и тем силь
нее, чем толще плеНка. Подобную зависимость можно объяснить
тем, что при повышении температуры снижаются напряжения
сдвиrа, а соответственно возрастает поверхностный блеск пленки,
так как уменьшаются явления «дробления струи»; кроме Toro,
видимо, изменяются также условия кристаллизации. При увели-
чении скорости течения расплава (производительности экструдера)
мутность пленки возрастает, однако при большом коэффициенте
раздува рукава эта зависимость становится обратной. Это объяс
няется тем, что ориентация макромолекул при растяжении CKa
зывается на мутности пленки (уменьшает ее) значительно силь-
нее, чем скорость течения (рис. 5.55).
Физико механические свойства пленок изменяются в зави
симости от перечисленных параметров неоднозначно; нужно
всеrда рассматривать С9вместное влияние скорости охлаждения,
степени вытяжки, раздува рукава и др.
6 Бортников В. r.
161
5.3.3. Ориентация и охлаждение пленки
После выхода из rоловки расплав подверrается OДHOBpeMeH
ной вытяжке в продольном и поперечном направлениях. Вытяжка
в продольном направлении происходит за счет разности CKOpO
стей течения расплава и тянущеrо устройства. I(оэффициент
вытяжки обычно выбирается в пределах КП == 2 3,5. Примерно
с такой же степенью происходит вытяжка расплава в поперечном
l:Iаправлении за счет раздува рукава сжатым воздухом.. Скорость
вытяжки, т. е. изменение размеров рукава во времени, зависит
от скорости охлаждения, а также от коэффициентов вытяжки и
раздува. Так, при медленном охлаждении расстояние от rоловки
до линии кристаллизации сравнительно велико, поэтому рукав
имеет вытянутую форму (рис. 5.56, а). Под линией кристалли'
зации понимают участок рукава,средняя температура KOToporo
равна температуре плавления полимера. При быстром охлаждении
конусность рукава возрастает, т. е. линия кристаллизации при-
ближается к rоловке (рис. 5.56, б). При этом вытяжка пленки
осуществляется на более коротком участке, что приво:дит к уве-
личению скорости деформации и повышению степени ориентации
макромолекул. Таким образом, изменяя скорость охлаждения,
степень вытяжки и раздува, можно в широких пределах менять
свойства пленок. .
В зависимости от скорости деформации и температуры рас..
плава меняется характер структурных образований. Так, при
интенсивном охлаждении и большой степени вытяжки образуются
кристаллы, имеющие с ориентацию, т. е. o ь с" элементарной
ячейки расположена вдоль направления экструзии. При медлен
ном охлаждении кристаллиты разворачиваются и кристаллизация
протекает преимущественно с ориентацией по оси а. При повы
шении температуры и толщины пленки переход к ориентации
а типа возрастает. В зависимости от степени и типа ориентации
изменяется прочность пленки. Так, при увеличении коэффициента
раздува рукава прочность в продольном направлении YMeHЬ
шается, а в поперечном возрастает (рис. 5.57). Как видно из
а 6
(5, '71!(!
I
1& ';
18
17
· 18
151,5 2,0
.
Рис. 5.56. Конфиrурация плеНО'lllоrо рукава ПрИ MeAJleHHOM (а) и БЬ,!стром (6) охла-
ждении.
'Рис. 5.57. Зависимость разрушающеrо напряжения при растяжении от коэффициеНта
раздува рукава:
I ВДОЛЬ направления ЭКСТРУЗRИ; 2 ..... поперек направлепия ЗkСТрузни.
162
РИС. 5.58. Обдувочное КОль
цо для охлаждения плеllКИ с
ОДНИМ (а) и несколькими (б)
воздушными потоками:
1 нижний диск; 2 шту
цер; 3 верхний диск; 4
рукав пленки.
5
рис. 5.57 равнопрочная пленка в продольном и поперечном направ-
лениях получается при коэффициенте раздува К р 2. Таким
образом , численные значения К р и Кв выбирают в зависимости
от предъявляемых к пленке требований. Следует также заме
тить, что наряду сизмененем прочности меняется относительное
удлинение и разнотолщинность пленки. Разнотолщинность в OCHOB
ном зависит от коэффициента раздува пленки, так как растяже-
ние расплава под действием сжатоrо воздуха происходит пре
имущественно в наиболее тонкой части. При большом коэффи
циенте раздува рукава незначительная несоосность дорна и MYHД
штука может служить причиной большой разнотолщинности
пленки; коэффициент раздува не должен быть выше 3.
В зависимости от скорости охлаждения изменяются степень
кристалличности и размеры структур в полимере, что вызывает
изменение оптических свойств пленки. При снижении скорости
охлаждения расстояние до линии кристаллизации возрастает
И' увеличивается мутность пленки, так как 'в результате замедл .
ния кристаллизации ПРОИСХ9ДИТ образование крупных кристал
лических структур и уменьшается степень ориентации MaKpo
молекул.
Охлаждение пленки осуществляют преимущественно с помощью
обдува рукава сжатым воздухом. Для этоrо используют вентиля
торы или воздуходувки, соединенньiе шланrами с обдувочным
кольцоrvl. Чтобы равномерно распределить воздух по периметру
рукава, кольцо имеет лабиринтные каналы (рис.. 5.58).
При производстве пленок с низкой скоростью отвода рукава
применяют обдув через одну выходную щель (рис. 5.58, а). Воздух
из штуцера 2 проходит через канал, образованный дисками 1 и 3.
Выходную щель для воздуха направляют обычно ПОД уrлом 90
.11450 к поверхности пленочноrо рукава. Уrол наклона щели зависит
от давления воздуха внутри рукава и скорости струи воздуха.
Если струя ударяет перпендикулярно, то может произойти дефор
мация рукава; при уменьшении yr a обдува снижается скорость
охлаждения. Обычно уrол обдува rvtеньше 450 применяю1' при из
rотовлении пленки из полим'еров с небольшой вязкостью или BЫ
сокой температурой расплава.
Для увеличения скорости охлаждения применяют обдувочные
кольца с несколькими выходными щелями (рис. 5.58, б), при
6* 163
этом внутренний профиль кольца должен соответствовать профилю
рукава, что способствует.rидродинамической стабильности рукава
при раздувании. В случае увеличения диаметра рукава зазор
между кольцом и рукавом уменьшается и сопротивление выходу
воздуха возрастает. В результате увеличивается давление воздуха
снаружи рукава, частично компенсирующее внутреннее давле
ние, и дальнейшее раздувание прекращается.
При одностороннем охлаждении рукава получается HeOДHO
родная по толщине пленки структура, так как кристаллизация
протекает не в различных условиях. Чтобы этоrо не происходило
и для ускорения охлаждения применяют двухсторонний обдув
рукава или охлаждают воздух, находящийся внутри рукава
(рис. 5.59). Рукав обдувается снаружи через кольцо 2, а внутри
охлаждается воздухом, который циркулирует через водяную
рубашку 5. Можно также осуществлять внутренний обдув через
кольца 3, которые устанавливают над дорном rоловки 5
(рис. 5.60). Воздух от воздуходувки 1 подается к внутреннему
обдувочному кольцу 3 через специальный теплоизолирующий
воздуховод, расположенный внутри дорна 5, а из рукава воздух
отсасывается воздуходувкой 7 через трубу 4. Недостатком paCCMO
тренных схем двухстороннеrо охлаждения является то, что pac
положение внутри рукава дополнительных устройств усложняет
запуск arperaTa в работу, поскольку расплав при выдавли
вании налипает на выступающие части.
*
3
2
, 1
+ t t
Рис. 5.59. Схема ABYXCTopoHHero охлаждения при циркуляции воздуха внутри рукава:
1 rоловка: 2 обдувочное кольцо; 3 трубка подачи воды; 4 трубка для воздуха;
5 .... водяная рубашка; 6 вентилятор.
.
Рис. 5.60. Схема ABYXCTOpOHHcro охлаждения рукава t:iСрСЗ обдувочн ые кольца:
1 t 7 --- воздуходувки; 2 --- Внешнее обдувочное кольцо; 3 внутренние обдувочные
кольца; 4 труба; 5 дорн; б корпус rоловки.
164
Рис. 5.61. Охлаждение пленки водой.
При охлаждении воздухом вследствие
сравнительно небольшоrо значения коэф-
фициента. теплоотдачи возникает значи- ВоВа
тельный температурный rрадиент между
поверхностью пленки и струей воздуха.
Чтобы ускорить охлаждение, целесооб-
разно конвективную теплопередачу за-
u u
менить теплопередачеи от охлаждаемои
поверхности. Для этоrо применяют комбинированное охлаждение
аналоrично калиброванию труб: вначале пленка обдувается воз
душной струей, а затем рукав раздувается и прижимается к охлаж
даемой металлической rильзе.
Можно использовать для охлаждения рукава жидкостную
пленку. Обычно для этоrо применяют воду, которая вытекает из
специальноrо кольца тонким слоем (рис. 5.61). Как показали
расчеты, скорость охлаждения рукава стекающей пленкой воды
в 1000 раз больше, чем при одностороннем воздушном охлажде
нии. Это позволяет резко повысить скорость отвода пленки и
улучшить ее качество. Однако при таком охлаждении необходимо
применять пленочные ar'peraTbI с OT OДOM пленки вниз, в против
ном случае вода может заливать формующую rоловку. После OT
вода воды, чтобы осушить поверхность пленки, рукав обдувается
струей. сжатоrо воздуха.
Окончательное охлаждение пленки выше линии кристаллиза
ции осуществляется атмосферным воздухом или водой. Кроме
Toro, пленку можно дополнительно охлаждать в направляющих
пластинах, установленных перед тянущими валками, в рубашку
которых подается вода (см. рис. 5.50).
5.3.4. Намотка,. упаковка и контроль качества пленки
Охлажденная пленка направляющими пластинами склады
вается в виде двойноrо полотна, захватывается тянущими вал
ками и отводится к приемному устрqйству (см. рис. 5.50). При
складывании пленки пластинами на рукаве MorYT образоваться
складки, так как длина образующей на фронтальной lф и про
фильной lп ее проекциях различна (рис. 5.62). Действительно,
из рис. 5.62 следует, что
lф == v Н2 + [R (л/2 ---- 1)]2; lп == V Н2 + R2
Таким образом, при плоской конструкции направляющих
lф > lп. Для исключения образования складок направляющие
обычно изrотовляют двояковыпуклыми в направлении к рукаву
(как показано на рис. 5.62 пунктирными линиями), при этом
дуrа подбирается таким образом, чтобы lп == lф. Для исключения
трения и образования статическоrо электричеС'fsа цап а "' IPIДие
165
Рис. 5.62. Схема складывания рукава.
обтяrивают ворсистой тканью или при-
меняют воздушную подушку.
. Тянущие валки располаrают на
такой высоте, чтобы исключить свари-
вание пленки по внутренней поверх-
ности; температура внутренней поверх-
ости пленки перед валками должна
быть ниже температуры текучести
полимера. При очень высоких ско-
ростях экструзии для предотвраще-
ния сваривания пленки МОжно использовать повторное раз-
дувание рукава после Тянущих валков. Перед намоткой
пленка разравнивается по ширине наклонными или вин-
товыми направляющими роликами. Одновременно проводится
также снятие статическоrо .электричества с ПО IОЩЬЮ нейтра-
лизаторов, ионизирующих воздух, или в результате увлаж
нения воздуХа. Образование статическоrо электричества .можно
снизить уменьшением сил трения пленки на направляющих po
ликах.
rотовая пленка наматывается в виде рулонов на специальные
трубчатые оправки (бобины), изrотовленные из бумаrи или пласт
массы. Чаще Bcero для этой цели используют полиэтиленовые
трубы. При намотке необходимо обеспечить определенное усилие
натяжения и исключить образование складок, которые образуются
обычно из за имеющейся разнотолщинности. При наматывании
на бобину в месте утолщения пленки получается валик и плоскость
намотки нарушается. Для предотвращения образования складок
нужно постепенно утолщеННое место перераспределять по ширине
бобины, что достиrается вращением а) формующей rоловки вместе
с рукавом, б) приемноrо устройства вместе с направляющими
пластинами или в) вертикально расположенноrо экстру дера B 1eCTe
с rоловкой. '
В тех случаях, коrда Пленка наматывается на две бобины
в виде однослойноrо полотна, рукав по краям обрезается диско
выми или плоскими наклонныIии лезвиями. Широко применяется
также бескромочное разрезаНие рукава по линиям сrиба ножами,
введенными внутрь рукава.
При изrотовлении пленки проводится периодический или
непрерывный контроль ее ТОлщины по ширине и длине полотна,
а Также внешн,ий 9СМОТР с целью обнаружения rеликов, посторон
них включений, непрозрачности и шероховатости. При KOHTpOJIe
толщины применяют микрОметры, часовые индикаторы, а при
аВТО fатическом контроле емкостные, инукционные или pa
диоактивные датчики. ПРочностн.ые и оптические показатели
пленки измеряют на специальных приборах в соответстви
с rОСТами.
166
5.3.5. Расчет парамеТрО8 процесса
Для Toro чтобы перейти к расчету основныХ теХНОлоrических
параметров, рассмотрим общую задачу растяжения рукава в про
дольном и поперечном направлениях. "'
Если спроектировать все силы на ось z, то сила, действующая
на пленку, F п будет уравновешена силой Рр, обусловленной pac
тяжением расплава, составляющей силы от давления p, дей
ствующей на раструб рукава, и весом пленки на рассматриваемом
участке (рис. 5.63). Уравнение баланса сил имеет вид:
11{
F n == Рр COS 'Ф + пАр (R2 R3) + 2npg J rб sec 'Ф dz (5.132)
о
rде " текущие значения радиуса рукава и толщины пленки; g ускорение
силы тяжести; lK расстояние до линии кри таллизации.
Сила продольноrо растя)кения пленки равна:
F р == 2лrБО'zz (5. 133а)
Выразим нормальное напря)кение через скорости деформации
при растяжении:
O'zz == 211Т (8zz 8,,)
rДе 11Т вязкость расплава при сложном растяжении.
11 т == <р [ ( 8 z + 8;, + 8 8 ), т t ]
(5. 133б)
rде Т t --:::-- средняя температура по сечению пленки, изменяющаяся по времени.
rде V объемная производительность экструдера.
С учетом записанных В Iражений имеем:
О' l1r V cos 'ф ( J... dr dб )
zz 1tr{) r dz + б dz
Подставив в (5.132) значение Рр из
(5. 133а) , находим,:
F == 211 T V cos 'ф ( J... dr + dб ) +
п r dz б dz
8 V cos 'ф ( dr + J... dб ) .
zz , 2лrб r dz б dz '
11{
+п:Ар (R 2 R ) + 2npg J rб sec 'Ф dz (5.135)
о
Проекция всех сил на ось 1- равна
нулю, поэтому имеем:
О' б О'ее б
Ар + рgб sin 'ф == о (5.136)
Rz Re
Рис. 5.63. Изменение размеров рукава в зоне BЫ
тяжки.
. V COS 'ф dб
в
' 2л:rб 2 dz
(5,134)
z
I
I
I
I
R
tFn
Оп
r
167
rде Rz.' Re радиусы кривизны рукава.
R z. == sch 3 'Ф/(d 2 r/dz 2 ); Re == r sch 'Ф (5.131)
Нормальное напряжение в танrенциальном направлении равно:
. . 11 r V cos 'ф ( 1 dr 1 dб )
. аве -:= 2t)r (Еее Err) == Лrб , dz Т dz (5.138)
Подставляя промежуточные значения, находим:
+ б sin '11, + Vl1r cos 4 'ф ( dr + dб ) d2r
р pg 'у :лr r dz б dz dz 2
Vl1r cos 2 'ф ( J.... dr dб ) == о
:лr 2 r dz б dz (5.139)
Данные уравнения содержат четыре неизвестные величины F п ,
p, V и lK' поэтому для их решения необходимо составить допол
нительные уравнения. Тепловой поток при ОХлаждении рукава
пленки на участке до линии кристаллизации qa за счет обдува
струей воздуха равен:
lк
qa =----= 2л: J rzaze z dz (5.140)
о
rде r z , I Cl z , e z температуры, зависящие от координаты z (расстояние вдоль
оси рукава); для коническоrо участка r z == Ro + z tg 'Ф.
Разницу температур пленки и воздуха можно описать ypaB
нением:
E>z == (Т пл ТВ) + 28,51n (lK/Z) (5.141)
При обдуве рукава струей воздуха скорость воздуха V B при
изменении координаты z уменьшается, поэтому:
o 74
ив == t'MaKCZ '
rде имаl{С максимальная скорость струи воздуха на выходе из щели.
Между скоростью воздуха и коэффициентом теплоотдачи
ществует следующая связь: CX z == з,ЗV t5. Подставив значение
находим:
cy
V B ",
3 3 1 11
Cl z == , VMaKcZ '
(5.142)
Подобное уравнение можно записать для обдува пленки
внутри рукава:
а 2 == 3 ,зv z l, 11
,
rде и о максимальная скорость струи воздуха внутри рукава на выходе lIЗ
обдувочноrо устройства.
Тепловой поток qa, отводимый снаружи и внутри рукава,
после подстановки в уравнение (5.140) CXz. и СХ 2 С учетом (5.141)
равен:
11{
qa == 6,6л: (и + и манс ) J (Ro + z tg ф)[(Т пл Т в) + 28,51п (l /Z)l z I.11 dz
О
(5. 1'43)
168
За счет отводимой теплоты пленка охлаждается на линии кри
сталлизации до температуры плавления, поэтому теплота, pac
ходуемая на охлаждение расплава, qp равна:
qp == pV [(Т р Т пл) с Qпл] (5.144)
rде Т р температура расплава в rоловке; Qпл ----- удельная теплота плавления.
I
Поскольку тепловые потоки qa И qp равны, то, приравняв
уравнения (5.143) и (5.144), находим расстояние до линии кри
сталлизации [н. Кроме Toro, можем записать уравнение тепловоrо
потока, передаваемоrо от пленки к окружающему воздуху выше
линии кристаллизации в результате конвекции:
qи == 2ла о R п l о (Т п То) (5.145)
rде 10 длина рукава от линии кристаллизации до направляющих пластин;
Т п средняя температура пленки Т п == (Тол + Т охл )/2 конечная TeMnepa
тура охлажденной пленки; а о коэффициент теплоотдачи от пленки к воздуху;
То температура окружаIощеrо воздуха.
С учетом изменения температуры полимера тепловая мощность,
затраченная на охлаждение пленки, равна:
qохл == 2с р рnR п б v п (Т пл Т охл ) (5.146)
Таким образом, решая совместно уравнения (5.145) и (5.146),
рассчитываем скорость пленки v п , по значению которой находим
объемную производительность экструдера V. Подставив получен
ное значение в уравнения (5.135) и (5.139)', а также приняв необ
ходимое значение коэффициента раздува рукава, при известных
размерах rоловки и пленки находим давление воздуха внутри
рукава. При решении полученной системы уравнений используем
значение температуры расплава Т р, которое находим с использо
ванием реолоrической HOMorpaMMbl (см. раздел 5.2.6).
Расчет технолоrических параметров при жидкостном охлаж
дении рукава проводится аналоrично, однако вместо уравнения
(5.145) применяется решение, полученное для нестационарной
теплопередачи.
Для расчета критерия Био используем коэффициент тепло
отдачи аз, выраженный через критерий Нуссельта:
аз == Nu лв/б в (5.147)
rде Nu == 0,000523 Rel,002 PrO,344; Re == 4r/v; Pr == рgс/лв; б в толщина слоя
охлаждающей жидкости; Л В коэффициент теплопроводности жидкости при
средней температуре; r плотность орошения, r == V в /2лR п (V B расход
охлаждающей жидкости); ,.... и v коэффициенты динамической и кинетической
вязкости..жидкости; с удельная теплоемкость жидкости.
Относительное значение температуры 8 определяется из COOT
ношения:
е == (Т охл Тв)/(Т пл Тв)
rде Т в температура охлаждающей воды.
Скорость отвпца пленки рассчитываем по значению критерия
Фурье:
VJ1 == alu/ Fo бб
(5.148)
169
Таким образом, расчет основных технолоrических параметров
производства пленки рукавным методом сводится к совместному
решению системы уравнений при использовании заданных значе
u
нии степени вытяжки и раздува, а также размеров rоловки и
рукава.
5.4. ТЕхнолоrия ПРОИЗВОДСТВА ПЛЕНКИ ЩЕЛЕВЫМ
МЕТОДОМ
Процесс изrотовления пленки основан на выдавливании pac
плава через плоскую щель формующей rоловки с последующим
охлаждением и намоткой полотна в рулон. В отличие от pYKaBHoro
eToдa, в данном случае расплав В Iдавливается в виде плоскоrо
полотна, ширина и толщина KOToporo обусловлены размерами
формующей rоловки. Для охлаждения полотна применяются
валки или жидкость, чаще Bcero вода. Блаrодаря .плоской конфи
rурации расплав сразу же после выхода из rоловки быстро охлаж
дается, что обеспечивает получение прозрачных пленок и увели
чение производительности, так как пленку можно отводить с BЫ
сокой скоростью. ·
Применяется щелевоЙ метод для производства пленок с BЫ
сокими оптическими свойствами. Этим методом можно также
изrотавливать пленки из маловязких расплавов полимер в, по
скольку при быстром охла)кдении на барабане или в водяной
ванне исключается самопроизвольная вытя)кка экстру дата.
Недостатками метода являются невозможность изrотовления
пленок большой ширины, сравнительно высокие отходы, так как
проводится обрезка утолщенных краев полотна, а также возмож-
ность изменять ирину полотна только за счет смены формующей
rоловки.
Процесс ПРОИЗВО'дства пленки щелевым методом состоит из
следующих технолоrических операций: 1) плавление rранул и
rомоrенизация расплава; 2) формование полотна; 3) охлаждение
пленки; 4) ориентация пленки; 5) намотка и упаковка пленки.
Кроме перечисленных операций, может проводиться также пред
варительная обработка сырья (сушка, окрашивание, подоrрев
rранул) перед заrрузкой ero в бункер экстру дера.
Технолоrическая схема процесса показана на рис. 5.64. Pac
плав из экструдера 1 выдавливается через формующую rоловку 2
11
f?
I
Рис. 5.64. Технолоrи
2 _ . ческая схема производ
' T ства пленки щелевым Me
I i _ .. . . _ . тодом С охлаждением па
валкс:
1 ЭКСТРУДер; 2 .... фор
мующая rоловка; 3
охлаждающие валки:
4 устройство дл я об-
резки кромок; 5 на..
правляющий валок; 6
толщиномер; 7, 10 тя-
валок; 9 инфракрасный иаrреватепь;
НУЩНе устройства; 8.... 118rревательный
J J --- намоточное у.стройство.
170
и поступает на охлаждающие валки 3, rде подверrается ДBY;X
стороннему охлаждению. Затем у пленки устройством 4 обрезаются
утолщенные кромки, после чеrо она протяrивается тянущими
валками 7 и 10 и поступает :е наматы1ающееe устройство 11. В тех
случаях, коrда требуется ориентация пленки, тянущие валки 10
вра'щаются с большей скоростью, чем валки 7, вследствие чеrо
происходит .продольная вытяжка пленки. Перед вытяжкой пленка
предварительно наrревается валками 8, а также инфракрасным
наrревателем: 9. Для поперечной ориентации между HaMaTЫBa
ющим устройством и тянущими валками 10 дополнительно уста.
навливается клуппное растяrивающее устройство. Для контроля
толщины по ширине служит толщиномер 6.
5.4.1. Плавление rранул и rомоrенизация
расплава
Для получения качественной пленки необходимо обеспечить
однородность расплава K K по физическим свойствам, так и по
температуре, а также создать в цилиндре экструдера давление,
за счет KOToporo масса течет через формующую rоловку. Все эти
параметры достиrаются путем выбора определенноrо режима pa
боты экстру дера: температуры HarpeBa по. ЗО1Iам цилиндра и ro
ловки, частоты вращения шнека и ero rеометрических размеров,
конструкции фильтрующеrо пакета и формующей rоловки. Как
и при производстве пленки рукавным методом, расплав не должен
содер)I{ать нерасплавленных частиц или быть неQДНОродным по
структуре, так как это MO)I{eT повлиять на прозрачность пленки,
ее блеск и прочность. Поэтому применяются шнеки с мелкой
арезкой, повышеllНОЙ степенью сжатия и большой длиной в зоне
дозирования. ,.
Однородность расплава по температуре обеспечивается в основ-
ном за счет местной циркуляции у напорной rрани нарезки шнека,
а также блаrодаря давлению, возникающему при течении pac
плава через пакет сеток и формующую rоловку. При высоком
давлении увеличивается время пребывания расплава в цилиндре
ЭRструдера и возрастают деформации сдвиеа, поэтому улучшается
перемешивание и rомоrенизация ра'сплава. Профиль температуры
и давления расплава по длине цилиндра, соответствующий опти
мальным условиям работы экструдера, может быть найден расче
том (см. раздел 5.1).
При использовании щелевоrо метода пленка отводится обычно
с высокой скоростью и расплав в rоловке течет при большой
скорости сдвиrа, поэтому для исключения высоких перепадов
давлений температуру расплава повышают. Это способствует
также получению более прозрачных пленок, так как при быстром
охлаждении расплава полимера образуется мелкокристаллическая
структура с большим содержанием аморфной фазы. Практически
темпертура наrревания расплава оrраничивается термостойкостьЮ
полимера.
171
5.4.2. Формование полотна
Процесс формования пленки (полотна) осуществляется с ис-
пользованием плоскощелевых rоловок. Расплав на выходе из
rоловки проходит между двумя пластинами (формующими rуб-
ками), rде приобретает необходимую конфиrурацию, т. е. опре-
деленную толщину и ширину полотна. Поскольку расплав течет
через узкую щель, для предотвращения разнотолщинности пленки
необходимо обеспечивать заданный зазор между rубками по
ширине rоловки. Не должно быть и больших перепадов темпе
ратуры расплава на выходе из цилиндра экстру дера и по ширине
rоловки, так как в противном случае по ширине щели появляются
элементарные струи с различной вязкостью, что служит причиной
неоднородности свойств и разнотолщинности пленки по ширине.
Формование пленок наиболее часто осуществляется в коллек
торных rоловках, коrда расплав из патрубка экстру дера paCTe
кается по коллектору (канал расположенный по ширине), а из
Hero перетекает в плоский формующий зазор (рис. 5.65, а). По
скольку при течении расплава в коллекторе возникает перепад
давления, выход расплава по ширине щели может быть HepaBHO
мерным. Если проанализировать траектории отдельных струй
течения расплава (см. рис. 5.65, б), то видно, что самый короткий
путь течения от патрубка до выхода находится в центре rоловки.
Наибольший перепад давления возникает по краям rоловки, по
скольку расплав течет вначале по коллектору, преодолевая ero
сопротивление, а затем попадает в формующий канал. При раз
личном же перепаде давления расход расплава по ширине будет
различным и это также приведет к появлению разнотолщинности.
Для выравнивания потока применяют различные устройства.
Наиболее часто используют реrулировочные вкладыши (см.
рис. 5.65). Расплав из патрубка попадает в коллектор 9, а затем
течет через плоский канал, образованный плитами 1 и 7. В Bepx
ней плите 1 имеются rнезда, в которые вставляются вкладыши 2,
плотно прилеrающие друr к друrу по ширине rоловки. Чтобы
выравнять поток, центральные вкладыШИ винтами 4 сдвиrают по
ходу движения расплава, уменьшая зазор между нижней плитой
и вкладышем. При этом соответственно увеличивается сопротив
ление течению расплава в центре rоловки и расход выравнивается
по ширине. Чтобы не об-
A A разовалось застойных зон,
вкладыши делают обтека-
* емой формы. Торцовые
ча ти коллектора обычно
АТ
1 ""7с)
1..-
Рис. 5.65. Выравнивание ПОтока
расплава в коллекторной rоловке
реrулировочными вкладышами:
1 верхняя плита; 2 вкла
дыши; 3 5 винты; 6 ПОДвиж
ная rубка; 7 нижняя ПЛ,ита;
8 -- вставка; 9 коллектор.
Рис. &.66. Распределение потока расплава . коллек-
торе шнеко м:
J коллектор; 2 --- ШНеК; 3 полотно пленки.
закрывают вставками 8, которые плав
но поворачивают поток расплава вдоль
rоловки и исключают образование за-
стойных зон. Для реrулирования тол-
щины пленки имеется подвижная rуб-
ка б, при смещении которой изменяется зазор щели и соот-
ветственно толщина пленки.
При изrотовлении пленок из полимеров с высокой вязкостью
расплава для выравнивания потока обычно применяется коллек-
торная rоловка со шнеком (рис. 5.66). В коллекторе 1 расположен
шнек 2, имеющий на одной половине левую, а на второй половине
правую винтовую нарезку. При вращении шнека по часовой
стрелке, если смотреть со стороны при вода, расплав от патрубка
принудительно распределяется по коллектору к краям. Равно-
мерность распределения расплава обеспечивается реrулированием
частоты. вращения шнека. В некоторых случаях равномерное
распределение расплава достиrается изменением температуры
по ширине rоловки,. однако при этом имеет место различная CTe
пень ориентации макромолекул полимера и, следовательно,
ухудшаются свойства пленки.
При получении пленок с низкой вязкостью расплава полиме
ров, коrда перепад давления в коллекторе незначителен, выравни
вание расплав"а осуществляется упруrой rубкой (рис. 5.67).
Обычно центральную часть упруrой rубки 10 изrибают внутрь,
уменьшая зазор между плитой 2 и упруrрй rубкой 10, а по краям
rоловки ее отrибают вверх и увеличивают rлубину щели таким
образом, чтобы перепады давлениЙ по всем траекториям движения
5
11
J
1 2
7
Рис: 5.67.. Плоскощелевая
rOJlOBKa с упруrой rубкой:
1 .... патрубок; 2 t 3 плитЫ
rоловки; 4, 6 индукцион-
ные продольные HarpeBaTe-
ли; 5, 7 винты; 8 pery
ЛИровочный ВIIНТ; 9 ....... резь
бовая втулка; 10 упруrnя
rубка; 11 коллеl{ТОр.
173
расплава от патрубка 1 до
выхсда из rоловки были рав-
ными. Для облеrчения изrиба
упруrой rубки 10 плита 3 по
всей ширине имеет продольные
пазы (ослабленное сечение) (см."#: рис. 5.67,' б). Таким обра-
....
зом плита. ...по ширине разделенаr:fна секции, в которых YCTa
новлены дифференциальные винты 8 и 9, обеспечивающие точное
реrулирование зазора. Упруrая rубка смещается относительно
плиты 2, уменьшая или увеличивая формующий зазор h. По-
скольку во время работы формующий зазор заполнен расплавом,
то ero ширина h определяется по изменению размера Н.
ДЛЯ обеспечения равномерной температуры на щелевых ro-,
ловках необходимо устанавливать продольные наrреватели 4 и 6,
располаrая их по всей ширине плит, а не секциями. При 6тклю-
чении продольных наrревателей не возникает перепадов темпера
тур по ширине rоловки, исключается появление разнотолщин
ности пленки.
Коллекторные rоловки с упруrой rубкой можно использовать
при 'изrотовлении пленок достаточно большой ширины, однако
в этом случае внутри коллектора следует устанавливать распре.
делительный шнек (см. рис. 5.66).
Достаточно равномерное распределение расплава обеспечи
вается в щелевых rоловках BeepHoro типа с двумя расходящимися
коллекторами (rоловки типа «рыбий хвост») (рис. 5.68). Расплав
полимера из патрубка п ступает в два коллектора переменноrо
сечения, которые расходятся в стороны под определенным уrлом.
Коллекторы по всей длине сообщаются с плоским каналом, по
этому р сплав из них равномерно распределяется по всей ширине
rоловки, а затем направляется в формующий зазор. Размеры
коллекторов и плоскоrо канала рассчитывают таким образом,
чтобы перепад давления при движении расплава по всем.... TpaeK
ториям был постоянным. Толщина пленки обеспечивается измене
нием формующеrо зазора с помощью подвижной rубки 4. Изме
нить толщину пленки можно также за счет вытяжки экструдата
тянущими валками, однако при этом появляется значительная
анизотропия свойств вдоль направления экструзии и поперек
пленочноrо полотна.
Из технолоrических п раметров наиболее сильно на качество
пленки влияет температура расплава. Как и при производстве
пленки рукавным методом, чем выше температура расплава, тем
меньше мутность пленки, однако при этом снижается прочность
пленки при раС'fящении по направлению экструзии и увеличи
вается относительное удлинение. В поперечном направлении эти
покаЗ8тели изменяются незначительно. KaI{ уже было рассмотрено
1 2 A A 3
- л; .
,
ч
Рис. 5.68. Щелевая rOJlOBKa с двумя КО.l-
лекторами (типа срыбий хвост»);
1 нижняя плита; 2 верхняя плита;
3 коллекторы; 4 ...... подвижная rубка.
17.4
ранее, прочность пленки зависит от степенк:кристалличности и
ориентации макромолекул. При повышении температуры вытяжка
расплава происходит при более низкой вязкости, поэтому нор-
мальные напряжения вдоль направления экструзии уменьшаются.
Кроме Toro, снижаются напряжения сдвиrа при течении расплава
в формующем зазоре и происходит более быстрая их релаксация.
Все это в целом обусловливает меньшую степень ориентации
макромолекул и снижение прочности пленки, особенно в направ
лении экструзии. Следует заметить, что на процесс ориентации
наиболее сильное влияние оказывает продольная вытяжка рас-
плава. Как показали исследования, экструзия без rлубокой вы-
тяжки и закалки не сопровождается значительными ориента
ционными процессами и пленка обладает изотропными свой..
ствами.
При изrотовлении тонких пленок перед их охлаждением, как
правило, проводят значительную вытяжку расплава, поэтому,
чтобы уменьшить ориентацию макромолекул и снизить анизотро-
пию свойств пленки, полотно формуют при высоких температурах.
Получить такие плен и без вытяжки только за счет уменьшения
формующеrо зазора невозможно, так как в этом случае чрезмерно
возрастает перепад давления в rоловке.
5.4.3. Охлаждение пленки
Охлах{дение расплава осущеСТВJIяется на валках (см.
рис. 5.64) или в жидкостных ваннах. При одностороннем охлаж
дении расплав поступает на поверхность вращающеrося валка,
внутрь KOToporo подается охлаждающая жидкость (преимуще-
ственно вода), и в полимере протекает процесс стеклования или
кристаллизации. При резком охлаждении расплава возможно
коробление пленки,- особенно для кристаллизующихся полимеров.
Чтобы исключить это, в :момент начала охлаждения предусма-
тривают прижим пленки к валку, например, струей сжатоrо
воздуха или созданием электростатическоrо заряда. При изrо-
товлении пленки без прижима между валками и пленкой
попадает воздух, и она из-за HepaBHoMepHoro охлаждения
становится некачественной появляется пятнистость и ко-
робление.
Для прижима можно использовать также подпружиненный
валок (рис. 5.69). В данном случае валок 3 выполняет роль rла-
дильно калибровочноrо приспособления, поскольку он оказывает
влияние на шероховатость поверхности и уменьшает раЗНОТОJI-
Рис. 5.69. Охлаждение пленки между ДB}'
мя валками:
1 ЭКСТРУДер;- 2 rоловка; 3 прIIЖИМ
ной валок; 4 охлаждаЮЩИе валкИ; 5
'I'ЯНущие валки.
.;
- /
5
175
Е).
Рис. 5.70. Зависимость разрушающеrо напряжения при
растяжении а и относитеJlьноrо удлинения е ПJlенки от
температуры ОХJlаждающеrо BaJlKa:
(J " ' е" разрушающее напряжение и относительное
удлинение вдоль направления экструзии: (J..L' e..L ...... то же
в направлении, перпендикулярном экструзии.
(1, Е
Е"
(1/1
,! ЩИННОСТЬ. Однако при значительном KO
т; лебании толщины пленки по ширине на
ахл входе в валки MorYT появиться наплывы.
Такой же дефект возможен при большом усилии прижима, особенно
коrда расплав обладает небольшой вязкостью. При охлаждении
пленки на валках необходимо обеспечивать равномерную темпе
ратуру, поэтому на внутренней стороне валков не должно быть
ребер и переrородок.
На качество пленки в основном влияют температура охлажда
ющеrо валка (рис. 5.70), расстояние ero от rоловки и чистота об..
работки ero поверхности. Обычно рабочую поверхность валка
полируют с обеспечением 12 класса чистоты. От температуры валка
и расстояния от rоловки до зоны охлаждения зависит rлавным
образом скорость кристаллизации полимера. Чем ниже- темпе
ратура валка, тем. быстрее охлаждается пленка, и кристаллизация
полностью не происходит. Однако при очень резком охлаждении
кристаллизующихся полимеров может появиться коробление
пленки, особенно при слабом прижатии ее к поверхности валка.
При переработке кристаллизующихся полимеров с понижением
температуры валка уменьшается светорассеивание, поэтому пленка
становится более прозрачной. С повышением температуры охлаж
дающей поверхности возрастают прочность r1ри растяжении и
относительное удлинение пленки (см. рис. 5.70), так как повы"
шается степень кристалличности полимера. Однако при очень
высоких температурах наблюдается прилипание пленки к охлаж-
дающему валку и процесс ее изrотовления нарушается.
При уменьшении расстояния от формующих rубок до охлаж
дающеrо валка возрастает скорость вытяжки расплава, поэтому
прочность вдоль направления экструзии увеличивается, а.отно-
сительное удлинение снижается. С изменением этоrо расстояния
меняется скорость охлаждения пленки: чем меньше это расстоя-
ние, тем более резко охлаждается пленка. Прочность пленки
в поперечном направлении почти не зависит от' взаимноrо распо-
ложения охлаждающих валков и rоловки. Это свидетельствует
о том, что основное влияние на прочность оказывает CKOpO TЬ
вытяжки, которая изменяется пропорционально расстоянию между
формующими rубками и охлаждающим валком. Обычно оно со-
ставляет 0,05 0, 1 м.
При охлаждении пленки жидкостью (водой) скорость охлаж-
дения возрастает, особенно коrда )I{ИДКОСТЬ тщательно переме-
шивается или создаются циркуляционные потоки вдоль .движения
пленки. В результате пленка получается более прозрачной.
ПОСI{ОЛЬКУ пленка охлаждается одновременно с двух сторон, то
структура полимера по сечению становится более равномерной
176
5
6
Рис. 5.71. Охлаждение пленки водой:
1 щелевая rоловка; 2 ванна с водой; 3 переrородкИ; 4 тянущие валки; 5
компенсатор натяженИя пленки; 6 наматывающее устройство; 7 направляющие
валки.
и мелкокристаллической. Однако при формовании пленки с боль-
шой продольной вытяжкой расплава жидкостное охлаждение
увеличивает анизотропию механических свойств, так как в этом
случае частично происходит вытяжка расплава на участке с по-
ниженной температурой. При охлаждении на валке этоrо не
происходит, поскольку расплав растяrивается только до линии
касания к валку, а дальше движется вместе с ним за счет адrезии
и прижима.
Схема охлаждения пленки жидкостыо (водой) показана на
рис. 5.71. Расплав из щелевой rоловки 1 отводится вертикально
вниз и поступает в ванну с водой 2, rде с помощью тянущих вал-
ков .4 протяrивается через направляющие валки 7 и поступает на
намотку. Расстояние от rоловки до уровня воды (обычно O,05
0,1 м) подбирается с учетом скорости отвода пленки, а также предъ-
являемых к ней требований. Влияние этоrо расстояния на физико-
механические и оптические свойства такое .же, как и при охлаж-
дении на валках. При больших скоростях отвода пленки на по-
верхности воды MorYT появляться волны, для rашения которых
в ванне устанавливают переrородки 3. Вода с пленки на выходе
из ванны удаляется с помощью ТЯJIУЩИХ валков 4 с резиновым
покрытием, а затем пленка дополнительно обдувается теплым
воздухом.
5.4.4. Ор ентация, намотка и упаковка пленки
Процесс ориентации осуществляется вследствие rлубокой вы-
тяжки пленки в продольном и поперечном направлениях. Про-
дольная вытяжка происходит за счет разности частот вращения
наrревательных и тянущих валков (см. рис. 5.64), установленных
на некотором расстоянии друr от друrа. Перед вытяжкой пленка
наrревается выше температуры стеклования, Т. е. полимер пере-
ходит в высокоэластическое состояние. Для улучшения ориента-
ции плеНI<У из кристаллизующихся полимеров изrотовляют при
быстром охла)кдении расплава, чтобы степень кристалличности
полимера составляла не более 50 60 %.
177
Ориентация пленки проводится при определенных значениях
температуры, скорости деформации и коэффициента (степени)
вытяжки. (Под коэффициентом вытяжки понимают отношение
окружных скоростей валков: КВ == V 2 /V 1 ). Как уже rОБОрИЛОСЬ
в разделе 1.2, на начальной стадии ориентации начинают вытя-
rиваться проходные участки макромолекул, расположенные
в аморфных областях. Затем по мере увеличения коэффициента
вытяжки происходит сдвиr отдельных ламелей, разворот их и
Qриентация в направлении вытяжки. Все эти процессы зависят
от rибкости макромолекул и их подвижности, а следовательно,
от температуры. При повышении температуры способность' поли-
меров к вытяжке возрастает, а затем вновь снижается. При низ-
кой температуре макромолекулы ориентируются даже при неболь-
шой степени вытяжки, однако проводить вытяжку во избежание
обрыва пленки следует при ,малой скорости деформации. Вытяжка
при П9вышенной температуре позволяет повысить скорость де..
формации, но достиrаемая при этом степень ориентации снижается.
На степень ориентации влияют также размеры кристалличе-
ских структур (сферолитов); чем они мельче, тем лучruе ориенти-
руется пленка. При малой скорости вытяжки на начальных .ста-
диях ориентации сферолиты деформируются, удлиняются в на-
правлении вытяжки, а ламели разворачиваются внутри сфероли-
тов таким образом, что оси с кристаллов становятся параллель-
ными направлению ориентации (см. рис. 1.15, а). При повышении
u
температуры наряду с с-ориентациеи происходит ориентация оси 4 а
кристаллов по направлению вытяжки, но при увеличении коэф-
фициента вытяжки оси с кристаллитов вновь ориентируются пре-
имущественно вдоль пленки. Для кристаллизующихся полиме-,
ров, таких, как полиэтилен и полипропилен, максимальная сте-
пень ориентации достиrается вблизи температуры плавления.
Наrревание пленки перед ориентацией проводят с помощью
наrревательных валков, инфракрасных наrревателей или конвек..
T BHoro теплообмена в термокамерах. Комбинированный HarpeB
показан на рис. 5.72. Пленка после охлаждения расплава протя-
rивается валками 1 со скоростью V 1 , наrревается валками 2, 3
и инфракрасным излучателем 4, а затем растяrивается в продоль-
ном направлении за счет разности окружных скоростей валков 1
и б. Скорость деформации определяется расстоянием между вал-
ками 2 и 5 и разностью их окружных скоростей.
Поскольку .вытяжка происходит не равномерно по всей ДЛ}iне,
а преимущественно на участке однородноrо растяжения, то,
1
2
J
5 6
Рис. 5.72. Продольная ориен-
тация. пленки при комбиниро-
ванном HarpeBe валками и ин-
фракрасными излучателями:
1 тихоходные валки; 2 H8
rревательные валки; 3 про-
межуточные валки; 4 инфра
красный наrр-еватель; 5 охла-
ждающий валок; 6 --- быстро-
Itодные тянущие валки.
178
пренебреrая высокоэластической деформацией, можем запи-
.сать:
ё в == ( и 2 ....... Vi)/[op'
Заменив длину ориентирования [ор на расстояние между вал
ками (до линий касаний пленки к валку) 1 == lop/ g, находим CKO
рость деформации при продольной ориентации:
8 в === (и2 t1l)/gl
(5.149)
rде Vl И и2 окружные скорости иращения валков; 1 длина пленки в зоне
растяжения; g.......... коэффициент, учитывающий нераnномерность вытяжки; для
лавсановой пленки g == 0,54.
Скорость деформации без изменения коэффициента вытяжки
можно реrулировать положением валков 3 (рис. 5.72). 'При опу
скании валков скорость деформации возрастает.
При двухсторонней ориентации происходит последующее pac
тяжение пленки в поперечном направлении. Наrретая пленка
захватывается за края специальными захватами клуппами,
которые передвиrаются по профильным направляющим.
Скорость деформации при поперечной ориентации зависит от
СКОрОСТИ движения пленки и уrла расположения направляющих:
. dv x 2и2 tg а,
Еп
dx В
(5.150)
rде а уrол наклона направляющих; В ширина пленки.
, \
Степень ориентации наиболее часто оценивают с использова..
нием параметров «уrловой» или ортоrональной модели. В COOTBeT
ствии с уrJlОВОЙ моделью приним:ают, что все cerMeHTbI 1\1aKpo
молекул располаrаются под определенным уrлом к направлению
вытяжки, который изменяется в зависимости от степени ориента
ции. Для удобства расчетов .степень ориентации выражают в
виде функции repMaHca:
',:::: 0,5 (3 cos 2 а, 1) (5.151)
При идеальной ориентации f == 1, а для неориентированной
пленки f == о.
Ортоrональная модель в качестве параметра ориентации ис
пользует долю cerMeHToB, которые направлены соответственно по
осям х,' у. и z. Для неориентированноrо полимера РХ == Ру ==
== Pz== 1/3. Степень ориентации находят по формуле:
f == 0,5 ( 3Р х 1)
(5.152)
Качественные показатели пленки зависят от степени ориента
ции и MorYT быть функционально выражены через коэффициент
вытяжки (рис. 5.73). Как видно из рис. 5.73, высокая степень
ориентации полиэтилена при 60 ос достиrается при коэФФИЦ!'iенте
вытяжки Кв > 5. Прочность И относительное удлинение изме
\79
,
0,8
0,6
0/1
0,2
О
а, It?пa
,
,
40 \
\
,
,
,
E, o
'10
(}
ЗО
6
, Е
.'{
,
8 /(6 20
5
10
. 15 1<,
20
7
Рис. 5.73. Зависимость степени ориентации f от КО9ффициента вытяжки пленки из
полиэтилена высокой плотности.
Рис. 5.74. Зависимость разрушающеrо напряжения при растяжении а и ОТНОсительноrо
удлинения е от коэффициента вытяжки пленки из полиэтилена низкой плотности при
80 ос.
няются пропорционально в зависимости от I{оэффициента вытяжки
(рис. 5.74).
В,лияние температуры ориентации на прочность пленки неодно-
значно. Эта зависимость имеет максимум, а при понижении и по-
вышении температуры ориентации от этоrо значения прочность
падает.
rотовая пленка после обрезки кромок наматывается на бобины
в виде рулонов. При намотке осуществляют равномерное раз-
rлаживание пленки по ширине и натяжение с определенным уси-
лием. Так же, как и при намотке рукавной пленки, MorYT по-
явиться складки за счет местных утолщений на рулоне, обуслов-
ленных разнотолщинностью. Однако ликвидировать их практи-
чески неВОЗМО)I{НО, так как методы, используемые при производ-
u .
стве рукавнои пленки, в данном случае неприменимы.
В процессе намотки проводится периодический контроль каче-
ства пленки визуальный осмотр и замер разнотолщинности.
Для автоматическоrо измерения толщины применяют радиоак-
тивный, емкостный или индуктивный толщиномер. Контроль
физико"механических и оптических свойств осуществляется при
испытании отобранных образцов пленки в соответствии с rОСТами.
r лава б
изrОТОВЛЕНИЕ ПУСТОТЕЛЫХ ИЗДJ;ЛИЙ
ВЫДУВАНИЕМ
Технолоrический процесс изrотовления пустотелых изделий осно-
ван на деформации разоrретых трубчатых или листовых заrотовок
под действием BHYTpeHHero давления и придании им с помощью
формы необходимой конфиrурации. Выдувание можно также
проводить из заrотовок, полученных на оправках литьем под
давлением. Поскольку формование пустотелых изделий проис-
ходит в полости формы, то заданная конфиrурация Iи 1размеры
180
изделия обеспечиваются только по наружной поверхности. Вну-
тренняя полость получается несколько произвольной, так как
зависит от толщины стенок отдельных элементов заrотовки и сте-
пени ее раЗДува. Наиболее широкое применение находит выдува-
ние изделий из трубчатых заrотовок, полученных экструзией;
это наиболее простой по конструктивному оформлению, леrко
автоматизируемый и довольно высокопроизводительный метод.
Выдуванием изrотовляют Jемкости, бутыли, флаконы или
сосуды друrой произвольной конфиrурации. Объем и масса
изделий зависят от характеристик применяемоrо оборудования,
т. е. MorYT изменяться в довольно широких пределах, например,
объем от 0,5. 10 6 до 0,6 м 3 и более.
Этим методом обычно перерабатывают термопластичные поли-
меры с высокой вязкостью расплава, обладающие вязкоупруrими
свойствами. Наиболее часто для выдувания используют поли-
этилен, полипропилен, поликарбонат, поливинилхлорид и ряд
друrих полимеров.
6.1. изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ВЫДУВАНИЕМ ИЗ ТРУБЧАТЫХ
ЗАrотовок
При данном способе получения изделий из расплава полимера
методом экструзии изrотавливают трубчатую заrотовку, которую
затем помещают в полость формы. За счет подачи внутрь заrотовки
сжатоrо воздуха происходит ее раздувание и заrотовка прижи-
мается к холодным стенкам формы, приобретая необходимую кон-
фиrурацию. '--
Технолоrический процесс состоит из следующих операций:
1) пл вление и rЬмоrенизация расплава; 2) выдавливание труб..
чатой заrотовки; 3) смыкание формы и обрезка трубчатой заrо-
товки; 4) формование изделия; 5) охлаждение изделия; 6) рас-
крытие формы и извлечение изделия. Операционная схема про-
цесса показана на рис. 6.1. Как видно из рисунка, выдавленная
трубчатая заrотовка помещается между двумя полуформами, а за-
тем с помощью механизма смыкания подвижные части формы сбли-
жаются и плотно обжимают торцы заrотовки. Через ниппель внутрь
заrотовки подается сжатый воздух, и она раздувается (рис. 6.1, 8).
а
5
е
Vз
Рис. 6.1. Операционная схема изrотовления изделий выдуванием из трубчатых заrотовок:
а --- ВЫДавливание трубчатой заrотовкн; б смыкание формы; о формование изде
лия; 2 размыкание формы. .
181
При этом, чтобы исключить раскрытие формы, создается усилие
смыкания ро. Отформованное изделие охлаждается стенками
формь и извлекается при раскрытии формы (рис. 6.1, 2).
6.1.1. Плавление rранул и rомоrенизация расплава
Данная операция осуществляется в шнековых или дисковых
экструзионных arperaTax. В случае применения шнековых экстру-
деров rранулы из бункера захватываются нарезкой шнека и, пере-
мещаясь вдоль цилиндра, плавятся за счет теплоты от HarpeTbIx
стенок и диссипации механической энерrии трения. По мере
движения rранулы уплотняются и создается давление. Расплав-
ленная часть полимера блаrодаря сдвиrовому течению переме-
шивается, приобретая в зоне дозирования необходимую однород-
ность (rомоrенизируется).
В тех случаях, коrда arpera T работает непрерывно, процесс
экструзии аналоrичен рассмотренному в rл. 5. Для обеспечения
непрерывной работы узел смыкания снабжается механизмом для
отвода формы с захваченной (зажатой) заrотовкой вниз И-lIИ в сто-
рону, чтобы. в период охлаждения изделия можно было произво-
дить выдавливание последующей трубчатой заrотовки. Если же
форма от rоловки не отводится (см. рис. 6.1), то arperaT на период
формования изделия и ero охлаждения останавливается. В этом
случае динамика процесса плавления rранул нарушается и в рас-
четных уравнени ях (см. раздел 5.1) следует учитывать время оста-
новки шнека. Однако в настоящее вре'мя arperaTbI по такой' схеме
практически не работают. . '
Несколько иная картина процесса ЭI{СТРУЗИИ наблюдается
при использовании выдувных автоматов с отводом шнека вдоль
цилиндра во время накопления порции расплава и ro rомоrени-
зации. В данном случае шнек по мере наrнетания массы отодви-
rается назад, преодолевая усилие подпора в rидроцилиндре arpe-
raTa. В отличие от процесса экструзии расплав в момент опера-
ции дозирования и rомоrенизации не выдавливается через форму-
ющую rоловку, а накапливается в передней части цилиндра. При
этом усилие подпора шнека иrрает роль противодавления в ro-
ловке, блаrодаря которому обеспечивается необходимая степень
rомоrенизации М'ассы. Накопление определенноrо количества рас-
плава (дозирование) осуществляется при отводе шнека на задан-
ное расстояние, после чеrо вращение ero прекращается. Доза
материала определяется массой трубчатой заrотовки. При работе
экструзионноrо выдувноrо arperaTa по такой схеме и меняется
длина зоны 'заrрузки, что должно быть учтено при расчетах.
Перемещение шнека вдоль цилиндра изменяет rраничные условия
при определении температуры расплава и производительности
arperaTa. При расчете производительности выдувноrо arperaTa
значение осевой скорости V зависит от скорости отвода "шнека V д :
,
00 == о о V д
(6. 1)
182
rде и0 скорость движения полимера вдоль оси цилиндра в зоне заrрузки
[см. уравнение (5.21)].
Скорость перемещения
шнека равна:
Од == Q/1tR p
Q процзводительность arperaTa; R з ---- радиус цилиндра.
Используя уравнения (5.22) и (6.1), находим:
Q === К Р [ 11: (R ---- Ri) ---- еh з ] (j)Rcp (1 tg <р ctg w) sin <р cos <р
д tg <р
(6.2)
rде
rде К д ---- коэффициент, учитывающий осевое перемещение шнека.
К д == 2 ---- Rr/R he/11:R tg <р (6.3)
При расчете зоны дозирования используют уравнения, рас-
смотренные в разделе 5.1, однако уравнение (5.81) следует решать
при следующих rранйчных условиях: ..
при, == R3 V Z == о; при, == R 2 V Z === тG/рлR tд (6.4)
rде G масса трубчатой заrотовки; t д время дозирования полимера.
При выборе типоразмера arperaTa и ero производительности
используется неравенство:
Q Gm/t B
(6.5)
I
rде т число фОРМУIОЩИХ каналов в rоловке; t B ........ время выдавливания заrо-
товки.
Время выдавливания заrотовки выбирается с учеТОl\1 условий,
исключающих ее охлаждение окружающим потоком воздуха;
обычно t B -<= 15 с.
В тех случаях, коrда изrотавливаются КРУIJноrабаритные изде-
лия, а производительность ЭI<СТРУЗИОННОЙ машины мала, чтобы
накопить большую дозу расплава и уменьшить время выдавли-
вания заrотовки, используют arperaTbI с копильником (рис. 6.2).
В период охлаждения изделия расплав из цилиндра 1 поступает
,в КОПИЛЬНИI< 2, соединенный с патрубком формующей rоловки 4.
По мере накопления дозы расплав поступает в копильник и плун"
жер 3 поднимается вверх. В момент получения трубчатой заrотовки
расплав выдавливается в rоловку из копильника плунжером 3
и одновременно наrнетается шнеком из цилиндра. Вследствие
этоrо расплав с большой скоростью выдавливается через форму-
IОЩУЮ щель rоловки и время получения заrотовки уменьшается.
При изrотовлении малоrабаритных изделий, чтобы полностью
использовать производительность arperaTa, применяются MHoro-
фильерные (мноrоручьевые) rоловки. Расплав выдавливается одно-
временно через несколько формующих каналов, расположенных
в общем I{орпусе rоловки (рис. 6.3). Из патрубка расплав посту..
пает в распределительный коллектор, а затем вытекает через
несколько формующих каналов. В этом случае для выравнивания
скоростей течения во входных каналах всех фильер предусматри-
вают дросселирующие краны. При таком способе формования
183
1 2 J
,Р
ч
Рис. 6.2. Узел BbIAYBHoro al"peraTa с КОПИJJЬНИКОМ:
1 цилиндр экструдера; 2 копильник; 3 плунжер копильника; 4 формующая
rоловка.
Рис. 6.3. Мноrоручьевая ФОРМУlощая rоловка:
1 КОРПУС rоловки; 2 трубчатая заrотовка: 3 ЦИЛИНДР смыкания формы; 4 ....
мноrоrнездная Форма. I
трубчатых заrотовок формы также делают мноrоrнездными.
Применение мноrоручьевых rоловок повышает производитель
ность arperaTa и снижает трудоемкость.
В целом операции плавления и rомоrенизации осуществляются
аналоrично рассмотренным ранее для процесса экструзии." Вяз
кость расплава должна быть такой же или несколько выше, чем
при производстве труб, поэтому по зонам экстру дера устанавли
вается соответственно меньшая температура.
6.1.2. Выдавливание трубчатой заrотовки
Процесс формования трубчатых заrотовок при производстве
цилиндрических изделий во MHoroM аналоrичен процессу изrотов
лени я труб. Принципиальная разница лишь в том, что заrотовка
выдавливается вертикально вниз без калибрования и охлаждения.
Имеется и еще ряд принципиальных отличий. Так, при свободном
истечении расплава происходит эластическое восстановление (<<раз-
бухание»), изменяющее размеры трубчатой заrотовки. Как уже
было рассмотрено в разделе 2.8, коэффициент эластическоrо ВОС.
становления зависит от скорости сдвиrа, вязкости расплава, длины
формующих каналов и реолоrических свойств полимера. Такая
сложная зависимость, естественно, затрудняет расчет параме
тров процесса, но в то же время используется в технолоrии как
положительное явление. Например, диаметр заrотовки можно
изменить, не меняя формующей rоловки, а выдавливая заrотовку
при различных скоростях течения расплава или :при :различных
частотах вращения дорна или МУНДIllтука.
Конструкция rоловки с вращающимся дорном показана на
рис. 6.4. Расплав из патрубка 7 поступает в каналы между кор-
пусом 6 и дорнодержателем 5, а затем входит в ФОРlVlУЮЩИЙ канал
между"FJдоРНОМ 3 и мундштуком 1. Дорн закреплен на валу 4
и :MO)l{eT вращаться с различной уrловой скоростью от отдельноrо
привода. При течении расплава в канале между вращающимися
элементами; возникают нормальные напряжения aвe, которые
противоположны по действию нормальным напряжениям CJzz.
184
Из уравнения (2..99) следует, что с рос-
том танrенциальных напряжений коэф-
фициент эластическоrо восстановления
уменьшается. Как видно из рис. 6.5,
чем больше скорость сдвиrа в TaHreH-
циальном направлении 'Уе, тем меньше
«разбухание». При больших значениях
скорости сдвиrа разбухание исчезает
и происходит уменьшение диаметра за-
rотовки по сравнению с диаметром
мундштука. Изменяя частоту вращения
дорна в процессе выдавливания, можно
получить заrотовку различноrо диа-
метра по длине. Такие заrотовки слу-
жат для формования изделий сложной
конфиrурации (например, для сосудов
с узкой rорловиной). Поскольку конфи-
rурация такой заrотовки соответствует
форме изделия, то при смыкании фор-
мы заrотовка не обрезается боковыми
отжимными кромками и расход поли-
мера уменьшается.
Диаметр трубчатой заrотовки из-
меняется также в зависимости от
длины и конусности формующеrо ка-
нала. С изменением конусности ме-
няется нормальное напряжение в танrенциальном направле-
нии. При течении расплава в расширяющихся конических
каналах макромолекулы дополнительно. растяrиваются в тан-
rенциальном направлении, поэтому после выхода из rоловки нор-
мальные напряжения аее сужают заrотовку и эластическое вос-
становление струи уменьшается (рис. 6.6, б и 2). И паоборот,
при выходе из сужающихся конических каналов диаметр заrо-
товки увеличивается больше, чем в ци-
линдрических каналах (рис. 6.6, а и в),
так как макромолекулы находятся в сжа-
том состоянии и на выходе они рас-
прямляются, в результате повышается
коэффициент эластическоrо восстано-
вления.
Рис. 6.5. ЗависимоСТь разбухания (отношения диаметра
экструдата D з к диаметру мундштука D M ) от скорости
сдвиrа в танrенциальном направлении: .
1 полиэтилен низкой плотности, 140 ос, D == 25 мм;
м
2 полиэтилен низкой плотности, 140 ос, DM == 1 О мм;
3 полиэтилен 'AblCOl<ot\ плотности, 190 ос, DM == 1 О ММ.
Рис. 6.4. }'rJlовая rOJlOBKa (: ВраtцаюЩИМСЯ дорНОМ:
J мундштук; 2 --- корпус; 3 дорн; 4 вал; 5
дорнодержатель; 6 корпус; 7 патрубок.
])3
]JM
\..
1,5
1,0
....
о
I
5
10 yo,c 1
185
4
б
8
2
Рис. 6.6. 8J1ияние формы каhала rОЛО8kИ на
эффект ЭJl8стическоrо восстановления струи.
Для описания зависимости нор-
мальных напряжений от конусности
и реолоrических'свойств используем
уравнение (5.138). Решение проводим
для случая, коrда изменяется радиус дор на, а rлубина канала
по длине остается постоянной, т. е. dб/dz о. Исходя из этоrо
имеем:
R 2
2 . V J
Z0'88 == 'Ylpf.88 == 1)р nh ,2
R 1
rде 1)р вязкость расплава полимера при растяжении; z расстояние вдоль
оси коническоrо канала; R 1 и R 2 радиусы канала мундштука на входе и вы-
ходе; h rлубина канала rоловки; V объемный расход расплава.
Проинтеrрировав полученное выражение и заменив координату
для кольцевых каналов с линейным изменением радиуса канала z
длиной заrотовки z == 1, находим:
1) р У
0"88 == nhlR 2 Rl (R 2 Rl) (6.6)
Определив из уравнения (2.99) коэффициенты эластическоrо
восстановления по диаметру и.. толщине з rотовки K Rcp и Кб'
можем рассчитать диаметр трубчатой заrотовки и ее олщину:
D з == DMKRcp (6.7) б з == hКб . (6.8)
rде h зазор формующеrо канала; DM диаметр мундштука rоловки.
Учитывая, что заrотовка при выдувании изделия преимуще-
ственно увеличивается по диаметру, так как концы ее зафикси-
рованы и вытяжки по длине не происходит, можем определить
размеры формующеrо канала rоловки с учетом коэффициента
раздува заrотовки:
DM == Dизд/КRсрКр; h == биздКР//(б (6.9)
rде К р коэффициент раздува, К р == 2 3,5; D изд диаметр изделия; б иэд
толщина изделия.
Второе отличие операции выдавливания трубчатой заrотовки
от процесса формования труб состоит в том, что при выдавливании
заrотовки происходит ее вытяжка под действием силы тяжести
и чем длиннее заrотовка, тем с большей скоро rью идет вытя.жка.
Самопроизво;льная вытяжка служит причиной уменьшения тол-
щины стенки и появления разнотолщинности изделия по высоте.
Действие веса заrотовки приводит к развитию растяrивающих
напряжений a zz , которые частично уравновешивают нормальные
напряжения, обусловленные напряжениями сдвиrа. В результате,
коrда вес заrотовки велик, на верхнем участке под действием
СИ.пы тяжести эластическое восстановление струи затормаживается
и происходит вытяжка расплава. Чтобы уменьшить вытя)кку,
186
понижают температуру раСI;Iлава. Однако при очень низкой TeM
пературе ухудшается качество заrотовки (появляется шерохова
тость, затрудняется ,свариваемость швов и уменьшается блеск),
а также возрастает перепад давления в rоловке.
Поскольку процесс вытяжки протекает во времени, разнотол-
щинность заrотовки зависит от скорости выдавливания расплава,
вязкости, веса заrотовки и напряжения сдвиrа. Для описания
процесса вытяжки составим уравнение равновесия сил:
, "
1/ 2 h1tR cp (Кпср + 1) (Кб + 1) ppgz 21tR cp hazz 21tR cp hoz z (6.10)
rде a z нормальные напряжения, обусловленные напряжениями сдвиrа при
течении расплава в rоловке, a;z == '( /4a(y); o;z напряжения, вызванные
продольным растяжением; z длина заrотовки; g ускорение силы тяжести;
'( ш напря}кение сдвиrа на стенке канала; Rcp средний радиус заrотовки;
О(у) модуль сдвиrа.
Поскольку отношение диаметра мундштука и дорна примерно
равно единице, то при эластическом восстановлении и вытяжке
средний радиус заrотовки не изменяется. Тоrда для одноосноrо
растяжения цилиндрической оболочки можно записать:
" 2 . V 1 dб
Ozz == 1'}pEzz == 1'}р (6. 11)
1tRcp б 2 dz
Разделяя переменные и интеrрируя, находим:
" 1'} р v J dб
10zz == пRcp {32 + С 1
Постоянную интеrрирования определяем при rраничных усло-
виях z == О, б ба. Тоrда:
о" 1) p V ( 1 1 ) (6.12)
zz == 1tRcpz бо Т
Координату z заменяем длиной заrотовки 1, а толщину за-
rотовки в нижней ее части б == hК б . Подставив в (6.10) значе
, " .
ния CI zz И CI zz , получаем скорость выдавливания заrотовки v э :
gррбоК б l2 (Кпср + 1) (Кб + 1) "t БОКБl
v э (6.13)
81)р (hКб б о ) 8а(у)1)р (hК б б о )
Из данноrо уравнения видно, что для обеспечения заданной
разнотолщинности заrотовки с уменьшением вязкости и увеличе
нием длины заrотовки скорость экструзии необходимо увеличивать.
{При расчетах разньтолщинность заrотовки можно заменить
разнотолщинностью" изделия:
. hK б б о
бизд == Кр (6.14)
Рассчитав скорость экструзии с учетом допустимой разнотол-
щинности изделия и коэффициента раздува заrотовки, можно
определить производительность arperaTa с учетом остальных
параметров процесса:
Q == npvэт ( R R )
r e RM и Ra...... .радиусы МУНАШТNка н дор на fQJIОВКИ.
(6.15)
fН
ec N
rr: oo 61
О
1
61<6z. 61 62
Рис. 6.7. rOJlOBKa с изменяющейся rJlубиной
формующеrо канала:
1 дорнодержатель; 2 мундштук; 3
дорн.
2
Рис. 6.8. Реrулирование разнотолщинности
ЗJlJlИПСНОСТЬЮ мундштука:
J сечение заrотовки; 2 сечение детали.
J
При вертикальном расположении цилиндра ЭI<струдера для
изrотовления трубчатых заrотовок можно использовать прямо
точные трубные rоловки, а при rОРИЗ0нтальном уrловые.
Конструктивно уrловые rоловки отличаются от трубных отсут-
ствием удлиненноrо охлаждаемоrо дор на. В том случае, коrда
необходимо получить заrотовки с различной толщиной стенки
по длине в уrловых rоловках дор н и мундштук изrотовляют в виде
конусов (рис. 6.7). При перемещении дор на 3 вдоль оси отно-
сит льно мундштука 2 изменяется r лубина формующеrо зазора
и соответственно толщина трубчатой заrотовки. Перемещение
дорна осуществляется с помощью кулачков, механическоrо при
вода или поршневой системы.
При изrотовлении изделий прямоуrольной формы или с несимме-
тричным сечением также применяют rоловки особой конструкции.
В этом случае для предупреждения разнотолщинности стенок
изделия вследствие, различной степени растяжения заrотовки по
периметру отверстие мундштука делают эллипсным (рис. 6.8).
При этом ero располаrают таким образом, чтобы на более удален
ную часть изделия приходился наибольший радиальный зазор
формующеrо I<анала.
Особое значение для выдувных rоловок имеет или реrулирова-
ние соосности дорна и формующеrо кольца. В случае неправиль-
Horo и храсположения расплав по периметру вытекает с различной
скоростью, что вызывает изrиб заrотовки в сторону. При смыка-
нии формы оси заrотовки и формующей полости не совпадают,
в связи с чем возникает неравномерность вытяжки и на изделии
появляются местные утоньшения стенок или изделие оформляется
не полностью.
6.1.3. Смыкание формы и формование изделия
Полуформы закреплены на плитах узла смыкани.я и MorYT
перемещаться навстречу друr друrу в rоризонтальном направле-
нии. Обычно в разомкнутом состоянии полуформы подводятся
1{ трубчатой заrотовке, чтобы она расположилась симметрично
188
Рис. 6.9. Вид ПОJlУФОРМЫ в рас-
крытом виде:
J --- npeCC KaHT; 2 HanpaB
Jlяющая колонка; 3 ФОРМУЮ
щая полость; 4 трубчатая за
rOTOBKa.
формующей полости,
после чеrо происходит
их смыкание. В момент
смыкания часть заrо-
товки, выступающая за
rабариты фор му'юще й
полости, защемляется
пресс-кантами, которые
предусмотрены по всему периметру изделия (рис. 6.9). В месте на-
жатия пресс-кантов под действием усилия СМ Iкания происходит
пережатие расплава, которое сваривает заrотовку в виде замкну-
той полости и обрезает за контуром формующеrо rнезда избыток
материала. Поскольку форма охлаждена, то. по контуру пресс-
канта образуется тонкая перемычка, по которой в дальнейшем
проводится механическая доработка изделия. Толщина перемычки
зависит от усилия смыкания, температуры формы и расплава,
а также от ширины пресс-канта и вязкости полимера. Чем ниже
температура расплава и формы, а также чем больше ширина пресс-
канта, тем толще образуется перемычка. При уменьшении ширины
канта улучшается обжатие заrотовки и образуется тонкая пере-
мычка, что облеrчает последующее удаление приливов. Под при-
.tIивом подразумевается избыток заrотовки за контуром формы,
который отжимается кантом. Однако при очень малой ширине
канта ухудшается сваривание заrотовки по дну и на/боковинах,
что снижает прочность изделия. Ухудшается свариваемость также
при понижении температуры расплава, особенно это заметно при
изrотовлении заrотовок с малой скоростью выдавливания. За
счет длительноrо течения нижняя часть заrотовки охлаждается
воздухом, поэтому формование ее и свариваемость затрудняются.
Размеры и форму пресс-кантов обычно выбирают по справочным
данным, наиболее широко применяемые из них приведены на
рис. 6.10. I
Усилие смыкания формы не должно допускать раскрытия
формы под действием сжатоrо воздуха в момент формования
изделия. При этом должно соблюдаться равенство:
N CM == 1,2р.Р д n
(6.16)
rде РВ давление воздуха; Р д площад. изделия в плоскости разъема; n
rнездность формы.
В момент смыкания формы трубчатая заrотовка отрезается
от формующей rоловки. Обрезка обычно производится ножницами
или раскаленной нихромовой лентой. При движении ленты, на-
rретой электрическим током, в месте контакта происходит сильный
переrрев расплава и получается ровный срез.
189
а
5
б
2
Рис. 6.10. Разновидности пресс-кантов формы.
После окончания смыкания сразу же начинается формование
изделия, для .чеrо внутрь заrотовки" подается сжатый воздух.
Воздух обычно поступает через трубчатый ниппель, расположен-
ный в дорне rоловки или в механизме узла смыкания. Если нип-
пель находится в rоловке (рис. 6.11, а), то форма после смыкания
в сторону не отводится. Этот СП9соб подвода воздух а применяется
сравнительно редко, так как трудно обеспечить охлаждение нип-
пеля. При работе с неохлажденным ниппелем происходит нал1i-
пание расплава, кроме Toro j процесс выдавливания заrотовки
должен быть периодическим.
Ifаиболее часто осуществляется подвод воздуха через ниппель,
перемещающийся от отдеJ1ьноrо привода. Форма после смыкания
отводится вниз или в сторону, а затем в rорловину ее вводится
ниппель (рис. 6.11, б). При изrотовлении сосудов, отверстие кото-
рых закрывается пробкой, ниппель делается ступенчатым. Будучи
введенным в форму, ниппель' обеспечивает ровную поверхность
rорловины изделия. .
При формовании изделий без rорловины воздух подводится
внутрь заrотовки через тонкую пустотелую иrлу (рис. 6.12).
Иrла обычно располаrается ближе к плоскости разъема, чтобы
обеспечить прокол заrотовки в момент смыкания формы. Для
качественноrо оформления изделия воздух внутрь заrотовки по-
дается с достаточно высокой скоростью, что обеспечивает ровную
поверхность и снижает разнотолщинность.
Качество изделий зависит от давления воздуха. С увеличением
давления понижается шероховатость изделий и их коробление.
p 1
5
'"
р
Рис. 6.11. способы подачи воздуха через ниппель, раСПОJlоженный в rOJlOBKe' (а), и при
введении ниппеля снизу (6):
J --- заrотовка; 2...... формующая rоловка; 3!1!!!8 форма; 4 80ЗАУШlllilе KaB8пlil 6 lI!'<tI
охлаждающие каналы.
!90
р
1
2
J
Q,)
::::s
, g- Lf
8-
s:э.. Е , I I I
5150 160 170 180 190 р, ос
.....
Рис. 6.12. Подвод воздуха через иrлу:
1 --- заrотовка; 2 rоловка; 3 форма; 4 трубчатая иrла; 5 ПРИЛИВ.
Рис. 6.13. ЗааИСИМОСТIt блеска поверхности изделия от температуры расплава при раз
личных значеНИJlХ коэффициента раздува.
Однако при чрезмерно высоком давлении требуется большое уси-
лие смыкания формы. МИНИl\lальное значение давления воздуха
может быть рассчитано по уравнению (5.125). В данном случае
трение полимера о стенки отсутствует, поэтому в отличие от про-
цесса калибрования труб давление по сравнению с расчетным
можно увеличить . При высоком давлении заrотовка плотно при-
жимается к пов рхности формы И время ее охлаждения умень-
шае! я. ,Об.ьтuцn, Аавление выбирается в препр.л v 0,0 1 .L"l lёl.
tG целью удаления воздуха из полости между заrотовкои и
формующей поверхностью в полуформах предусматривают воз-
душныIe каналы, просверленные в местах, rде затруднен выход
воздуха. Диаметр отверстий обычно составляет 1 2 мм, но не
б ее половины толщины стенки изделия. При изrотовлении
малоrабаритных изделий объем воздуха в полости невелик, по-
этому' воздух с!Зободно удаляется в зазор между пресс-кантами
на боковых стенках формы, rде отсутствует пережатие ра.9Iлава.
Сверление в этом случае не делают.
Для Toro чтобы обеспечить небольшую разнотолщинность,
коэффициент раздува должен быть равен К р == 3+3,5, при
большем ero значении повышается разнотолщинность изделия по
периметру. С ростом коэффициента раздува увеличивается блеск
изделия (рис. 6.13), особенно это заметно при повышенной тем-
пературе расплава (на рисунке l-й класс соответствует наиболее
качественному изделию). Степень раздува влияет также на усадку
изделия. При увеличении коэффициента раздува усадка возра-
стает, что объясняется увеличением ориентации макромолекул.
При охлаждении полимера конформационные переходы пропор-
. ционаЛЬНI?I степени ориентации, поэтому размеры уменьшаются
преимущественно в направлении растяжения.
, При изrотовлении изделий сферической или кубической кон-
.,фиrурации для уменьшения разнотолщинности трубчатые заrо-
товки перед смыканием формы предварительно раздувают. Ниж-
u
нии конец заrотовки заваривают, после чеrо она равномерно раз-
дувается воздухом. При этом заrотовка принимает сферическую
конфиrурацию. Этим достиrается также сокращение расхода
полимера, так как масса заrотовки, срезаемая пресс-канта IИ
в !3'иде приливов, уменьшается. .
191
6.1.4. Охлаждение мзделмя
Непосредственно после прижатия расплава к стенкам формы
начинается процесс ero охлаждеНИ1l. Поскольку температура
формы HaMHoro ниже, чем расплава, то по толщине стенки YCTa
навливается нестационарный температурный профиль, изменя
ющийся во времени. При этом на стенке формы температура
сохраняется почти постоянной, а на внутренней поверхности
изменяется во времени от температуры расплава до значения,
соответствующеrо охлажденному изделию. Время охла ждения
зависит от толщины стенок изделия, температуры расплава
и формы. Температуру формы выбирают, исходя из строения по
лимера и требований, предъявляемых к изделию. С увеличением
температуры формы повышается блеск изделий, сни ается KO
робление и уменьшается анизотропия свойств (рис. 6.14). Однако
при' этом увеличивается время охлаждения и снижаетс}: пр ) 8BO
дительность arperaTa.
Температура формы влияет также и на усадку. При П(,Нl(же
!Т!f . ""'е мпературы в большинстве случаев усадка ЫДУВН I".. р з.це
лии умеНЬШ(1t:'l\"'71. Ото Оn'hясняется тем, что. H}J'rl fi 'igt(()п 't'f'l\AfIe
ратуре расплав охлаждается с высокой скоростью' и стеаенр K!JtT
сталличности полимера снижается, следовательно, ме:dьшt: изме
няется и объем изделия по отношению к объему расплава. Осо..
бенно нельзя быстро охлаждать толстостенные изделия, таА как
возможно их коробление или появление утяжин, rлавным образом
в утолщенных местах. Наиболее часто причиной коробления слу
жит неравномерное охлаждение или наличие температурных
полей на поверхности формы, а также разнотолщинность. Чтобы
добиться paBHoMepHoro охлаждения, толщина стенок изделия по
возможности должна быть одинаковой. Охлаждающие каналы
в форме располаrают таким образом, чтобы перепад температуры
по всей поверхности формующей полости был одинаковым. В тех
случаях, коrда имеются местные утолщения стенок, около них
предусматривают дополнительное охлаждение или охлаждающие
каналы приближают к поверхности формующей полости.
В настоящее время с целью ускорения процесса охлаждения
вместо воды пытаются использовать различные Хладоаrенты.
Однако при охлаждении формы ниже О ос на формующих по-
верхностях появляется иней или конденсат (отпотевание), что
может вызвать р бь или оспины на изделиях из кристаллизую
щихся полимеров, особенно если раздувание проводится при
невысоком давлении воздуха.
Для ускорения охлаждения во
внутреннюю полость изделия мож"
но подавать смесь воздуха с во..
дой. При таком спосоqе охлаж
е
t:J2
::r:c
:::IU':t
8- CU fJ
*0
192
20 O 60 80 10О 120 1110
Ttp, ос
Рис. 6.14. ЗависимосТь блеска
изделия от температуры формы.
поверхности
1
t
J
Рис. 6.15. Охлаждение внутренн й поверхности изделия смесью воды и воздуха:
1 смеси ель; 2 выпускной клапан; 3 ниппель; '4 изделие.
Рис. 6.16. Охлаждение внутренней поверхности изделия холодным воздухом:
1 "'7 центральный патрубок; 2 боковой патруБОI<; 3 изделие.
дения ниппель 3 оснащается смесителем 1, в который подается
вода и сжатый воздух (см. рис.. 6.15). В смесителе происходит
распыление воды, капельки которой попадают на внутреннюю
поверхность изделия 4 и испаряются, на что расходуется значи
тельное количество теплоты. Пары воды и воздуха из полости
формы отводятся через выпускной клапан 2. При такой схеме
время охлаждения уменьшается почти в 4 раза по сравнению
с I односторонним охлаждением.
MeHe эффектuвен способ о лаждения внутренней поверхности
изделия за счет циркуляции в ero полости холодноrо воздуха
(см. рис. 6.16). Воздух подается через центральный патрубок 1
сдвоенноrо сопла, омывает стенки изделия 3 и откачивается через
боковой патрубок 2. Перед подачей во внутреннюю полость воз
дух охлаждается до 50 ос, что позволяет увеличить .ффектив
ность отвода теплоты.
Для охлаждения мо}кно использовать также жидкий азот,
что, кроме сокращения длительности охлаждения, позволяет
также улучшить качество изделий повышается их. стойкость
к, растрескиванию. Эт'о особенно важно, если изделия предназна
чены для заливки в них поверхностно активных веществ или
моющих смесей.
Время охлаждения изделия при одностороннем отводе теплоты
в форму t охл рассчитывается по уравнению:
t 9,2{32 1 ( 4 Тр Тохл )
охл 2 g Т Т
1t а 1t изд охл
(6.17)
rде б наибольшая толщина стенки изделия; Т охл температура охлаждае-
мой поверхности изделия; Т изд температура на внутренней поверхности из
делия в конце охлаждения; Т р температура расплава полимера.
Для обеспечения жесткости изделия и исключения ero дефор
мации после извлечения из формы принимаем, что температура
в конце выдержки при оХлаждении должна быть не ыше TeM
пературы стеклования (Т изд Те) для' аморфных полимеров
7 Бортников В. r. 193
и теплостойкости по Мартенсу (Т изд т м ) для КрИСТ ЛЛИЧе
\
ских полимеров. \
Поскольку по толщине стенки формы и на rранице ее разд( ла
с изделием возникает температурный rрадиент, то для раСЧt'та
температуры охлаждаемой поверхности используем уравнеl:ие
Винтерrерста:
(Т р Т охл) VЛрСрРр (Т охл Т ф) VЛфСфрф
I \
(6.1 Б)
rде ТФ температуры формы; Лр, Ср, Рр теплопроводность, теплоеМКОС1Ь
и плотность расплава полимера; Лф, Сф, Рф то же для материала фор'мы.
Решая рассматриваемое равенство, находим:
Т охл == (Т р V ЛрСрР р + Т ф 'V' ЛфСфРф)/( VЛрСрРр + VЛфСфРф) (6.19)
Пр,и расчете значение температуры формы находят в ,табл. 7.1
или принимают ориентировочно Т Ф == т ИЗД 20. Естественно,
это значение Т Ф уточняют экспериментально, так как данное
уравнение не учитывает влияния скорости охлаждения на каче
ственные показатели изделия (разрушающее напрпжение, относи
тельное удлинение, усадку и наличие остаТОЧНL,I: напряжений).
6.1.5. Раскрытие формы и извлечение изделия
Форма раскрывается с помощью узла смыкания. Перед pac
крытием формы из rорловины изделия вынимается ниппель, а при
автоматическом режиме одновременно отрываются приливы.
Изделия из раскрытой формы извлекаются под действием соб-
cTBeHHoro веса, а в тех случаях, коrда на боковых стенках воз
никают большие усилия, применяются толкатели (рис. 6.17).
Вместо толкателей можно использовать сжатый в'оздух, который
подается в форму через воздушные каналы в боковой стенке.
При извлечении изделий толкателем в момент раскрытия формы 4
(рис. 6.17) выступающая часть толкателей 2 упирается в неподвиж-
ную плиту 5 и они останавливаются, а полуформа продолжает
двиrаться дальше, как бы отделяясь от изделия 3. Толкатель
и изделие в момент выталкивания неподвижны, а форма относи-
тельно них перемещается. Приливы 1 выталкиваются толкателями
одновременно с изделием.
Чтобы оторвать изделие от прилива, на плоскости разъема
формы предусматривают замок (рис. 6.18). При смыкании формы
избыток материала затекает в отверстие с обратным конусом
и после охлаждения там образуется удерживающая бобышка 3.
В MorvleHT раскрытия формы прилив 4 остается на полуформе 1,
а изделие движетс вместе со второй полуформой 5. В результате
прилив 4 отрывается от изделия. При последующем движении
левой полуформы 1, толкатель 2, упирается в оrраничитель и
бобышка 3 прилива выталкивается из rнезда. Применение подоб-
ных приспособлений снижает трудоемкость и исключает рУЧJ}ые
194
2
. . 1 2 J ' 'f 5
.-
Рис. 6.17. Извлечение изделия и приливов с помощью толкателей:
1 приливы; 2 ТОJlI<атели; 3 изделие; 4 форма; 5 неподвижная ПЛИта.
Рис. 6.18. Способ отделения прилива от изделия:
1 и 5 левая и правая полуформы; 2 толкатель; 3 бобышка; 4 прилив.
операции по доработке изделий. Для отделения приливов от изде
лия перед раскрытием формы можно также использовать спе
циальные захваты.
6.2. изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ВЫДУВАНИЕМ ИЗ ЛИТЬЕВЫХ
ЗАrотовок
,Процесс основан на выдувании тонкостенной оболочки, полу
ченной на специальной оправке литьем под давлением. Металли
ческую оправку помещают в форму, которая установлеЩi на
литьевой машине, и производят отливку заrотовки (оболочки).
Затем оправку вынимают и помещают в форму для выдувания.
HYTPЬ оправки подается сжатый воздух, оболочка растяrивается,
п ижимается к стенкам формы и охлаждается.
, .' . Технолоrический процесс состоит из следующих операций:
')1j плавление, rомоrенизация и дозирование расплава; 2) уста-
новка оправки в форму для литья; 3) смыкание литьевой формы
и подвод узла впрыска; 4) впрыск расплава и выдержка; 5) раз
мыкание литьевой формы и смыкание формы для выдувания;
6) выдувание изделия; 7) охлаждение; 8) размыкание формы
и извлечение изделия. Схема процесса приведена на рис. 6.19.
а 5 8 е 80заух а е
. .
+ ......
Полимер t
Рис. 6.19. О ерационная схема изrотовления изделий выдуванием из литьевых заrотовок:
а смыкание литьевой формы; б впрыск расплава; 8 размыкание литьевой Фоrмы;
2 смыкание формы для выдуванИЯ; д формование изделия; е размыкание формы
И извлечение изделия.
,
7*
195
6.2.1. rомоrенизация и дозирование расплава
Эта операция осуществляется на литьевой машине и принци-
пиально ничем не отличается от таковой при изrотовлении труб
чатых заrотовок на экструзионном выдувном arperaTe с отводом
шнека, т. е. пр периодическом накоплении раСПJ1ава и после
дующем ero выда влива нии из цилиндра шнеком (см. раздел 6.1.1).
При ДВИ)I{ении шнека к соплу впрыска литьевой машины соз
дается высокое давление 80 160 МПа, поэтому вращение шнека
прерывается, а для исключения обратноrо течения расплава по
каналам нарезки на хвостовике шнека устанавливают клапан.
Кроме Toro, при rомоrенизации расплава по' зонам цилиндра
литьевой, машины задается более высокая температура расплава,
чем при получении заrотовок экструзионным методом. Эт? неоо-
ходимо для снижения потерь давления при впрыске расплава
через литниковые каналы формы и сопла. При высокоЙ вязкости
расплава большая часть Да'вления впрыска расходуется на пре-
одоление сопротивления течения полимера в литниках, поэтому
происходит медленное заполнение формы расплавом и возможно'
некачественное формование оболочки.
Расчет температуры расплава аналоrичен приведенному в раз
деле 5.2.6 с использованием реолоrической области литья под
давлением по HOMorpaMMe (см. рис. 5.48). Производительность
литьевой машины при rомоrенизации и дозирова ии расплава
определяется с использованием уравнений (6.2) и (6.3).
6.2.2. Впрыск расплава и выдувание изделия
Впрыск расплава в форму осуществляется за счет перемеще
ния шнека машины под действием усилия, создаваемоrо поршнем
узла впрыска. Расплав под давлением, возникающим в цилиндре,
течет с высокоЙ скоростью через отверстия мундшrука (сопла)
и литники и впрыскивается в формующую полость, т. е. запол
няет свободное пространство между оправкой и стенками формы.
После заполнения формующей полости расплав .под действием
давления уплотняется и в таком состоянии выдерживается HeKO
.торое время. За счет холодных стенок расплав частично охлаж-
дается, при этом к моменту размыкания формы ero средняя TeM
пература должна быть несколько выше температуры плавления
(текучести). Это необходимо для Toro, чтобы расплав обладал
способностью к последующей деформации при выдувании изделия.
Процесс литья под давлением подробно описан в rл. 7, по-
этому остановимся здесь лишь на рассмотрении некоторых oco
eJ
бенностеи.
,в отличие от производства изделий литвем под давлением
в данном случае внутренняя формующая полость фор ы пред
ставляет собоЙ специальную оправку (рис. 6.20). Оправка состоит
из цилиндрическоrо корпуса 5, в который вставляется пустотелый
стержень клапана б, прижимаемый пружиной 4. Стержень КЛа-
196
а'
5
\
Клапан
заКр6/m
Клапан
отХР61т
Рис. 6.20. Оправка для литья оболочки:
1 штуцер для сжатоrо воздуха; 2, 3 каналы для подачи воды; 4 пружина; 5
корпус; 6 клапан.
пана имеет n;родольные пазы для подвода воздуха из штуцера 1,
а внутрь ero вставляется трубка для подачи охлаждающей воды
из штуцера 3. Во время отливки оболочки клапан б закрыт,
поэтОМу расплав внутрь оправки не' попадает. В дальнейшем,
коrд происходит выдувание изделия, внутрь оправки подается
сжаТ IЙ воздух, пружина- 4 сжимается и клапан открывается,
пропуская воздух внутрь полимерной оболочки.
Для определения времени iвыдержки можно воспользоваться
уравнением теплопередачи внестационарных усло_виях (4.19).
При двухстороннем охлаждении заrотовки, еС8l1И использовать
уравнение для пластины, время выдержки t B будет равно:
t в == б 2 2,3 19 8 (Т р Т охл) /(6.20)
n 2 а 2 (Т ер Т охл)
rде б толщина оболочки; Тер средняя температура расплава по толщине
оболочки после выдержки оправки в форме; Т охл температура охлаждаемой
поверхности изделия [см. уравнение (6.19)]. "
Средняя температура мо}кет быть приията Тср тт + 20
и уточнена экспериментально в процессе освоения технолоrии.
Уточнять время выдержки необходимо, поскольку способность
заrотовки к выдуванию :-зависит также от продолжительности
операции размыкания литьевой формы и последующеrо Сl\1ыкания
формы для выдувания. За это время за счет более наrретой цен-
тральной части заrотовки происходит HarpeB поверхностных
слоев и выравнивание температуры. При большой выдержке
в литьевой форме поверхностные слои сильно охлая{даются и за-
rOToBKa не раздувается. То же происходит при малом времен'И
между операциями размыкания литьевой формы и смыкания
формы для выдувания. Твердый поверхностный СЛf) не успевает
проrреться от rорячих внутренних слоев, на поверхности изделия
MorYT появиться макротрещины или заrотовка плохо раздуваетс .
Качественные изделия получаются только при определенном
соотношении времени охлаждения и времени вспомоrательных
операций.
По окончании выдержки литьевая форма размыкается,
а оправку с заrотовкой переносят iз форму для выдувания, и формя
смыкается. При работе на роторных автоматах заrотовка пере..
197
мещается на следующую ПОЗИЦИIО, rде и происходит смыкание
формы для выдувания. '
Операция выдувания осуществляется сжатым воздухqм, кото..
рый подается внутрь оправки. Под действием создаваемоrо усилия
клапан 6 открывается (см. рис. 6.20), и воздух растяrивает поли-
мерную оболочку, плотно прижимая ее к стенкам формы; проис-
ходит оформление изделия, а затем ero охлаждение.
Дальнейшие операции не отличаются от описанных в разде-
лах 6.1.3 и 6.1.4. Время охлаждения изделий рассчитывают по
уравнениям (6.17) (6.19), однако, вместо температуры расплава
т р подставляют среДНIОIО теl\1пературу по толщине заrотовки
после выдержки ее в форме: Т ер == т т + 20.
Изделия извлекаются после раскрытия формы под действием
сжатоrо воздуха, подаваемоrо в оправку, или с помощью толка-
телей. В последнем случае вначале из формы вынимается оправка,
а затем происходит раскрытие формы и извлечение изделия.
При изrотовлении пустотелых изделий выдувание из литье-
вых заrотовок сокращается расход материала, так как отсутствуют
приливы, и не требуется последующей механической доработки
деталей, поскольку при смыкании формы не происходит пере-
жатия расплава пресс-канта ли. На деталях отсутствуют сварные
швы, поэтому прочность их повышается и они имеют хороший
внешний вид.
Преимуществом метода также является отсутствие разно-
толщинности изделия как по периметру, так и по высоте, по-
скольку исключается вытяжка заrотовки перед выдуванием.
Кроме Toro, литьевая форма может быть изrотовлена с учетом
несимметричности в' конфиrурации изделия, т. е. заrотовка де-
лается в соответствующих местах толще или тоньше в зависимости
от степени ее 'вытяжки. К недостаткам данноrо метода следует
отнести более высокую стоимость оборудования и увеличение
длительности цикла. Поэтому для изrотовления изделий выдува-
нием из литьевых заrотовок целесообразно использовать MHoro-
позиционные автоматические линии, обеспечивающие БЫСОКУIО
производительность .
r лава 7
изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ ЛИТЬЕМ
ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Литье под давлением наиболее распространенный и проrрессив-
ный метод переработки пластмасс, так KaK позволяет получать
изделия сравнительно сложной конфиrурации при небольших
затратах труда и энерrии. Процесс изrотовления изделий основан
на заполнении формующей полости q)OPMbI расплавом с последу-
ющим ero уплотнением за счет давления и охлаждением.
198
Этим )способом MO)l{HO перерабатывать все без исключения
термопластичные полимеры, вид и марки которых выбирают в за
висимости от назначения изделий, прочности теплостойкости
и друrих свойств. Для литья под давлением обычно используют
полимеры с показателем текучести расплава от 2 до 7 r/lO мин.
Однако можно, перерабатывать полимеры и с меньшей текучестыо,
но при этом требуется более высокая температура, что не всеrда
допустимо, так как мо)кет произойти термическая деструкция..
Физико"химические основы литья под давлением аналоrичны
таковым для экструзии и выдувания пустотелых изделий, однако
имеlОТСЯ и некоторые принципиальныle отличия. Так, процесс
формования происходит в очень короткое время, поэтому расплав
впрыскивается в форму (течет) с очень большой скоростью, что,
естественно, приводит к дополнительному разоrреву и значи..
тельной ориентации макромолекул. Степень ориентации повы
шается так)ке за счет больших сдвиrовых напряжений, возника
ющих в ,фОРМУlощей полости, при течении расплава между двумя
охлаждаемыми пластинами. Очень быстрое двухстороннее охла
жд ние расплава приводит к сильному изменению объема, а таи
как полимер охлаждается снаружи, то образующийся наружныi1
твердый слой полимера препятствует уменьшению объема, по-
этому возможно появление утя)кин. Для предотвращения этоrе
необходимо перед охлах{дением повышать давление в форме де
140 180 МПа. Однако охлах{дение под высоким давлением за.
трудняет протекание релаксационных процессов и сильно изме
няет условия кристаллизации. Поскольку литьем под давление
изrотавливаются изделия сложной конфиrурации, очень трудн(
обеспечить равномерное охлах{дение всех их элементов. В СВЯЗI
с этим релаксационные процессы в OTдe ЬHЫX местах изделиs
завершаются на различном уровне, а после охлаждения oCTaIoTc,
внутренние остаточные . напря}кения, вызывающие короблеНИ 1
изделий, СНJlжение их прочност.и или появление трещин.
JIитье под давлением п риодический процесс, в KOTopor
технолоrические операции ВЫПОЛНЯIОТСЯ в определенной после
довательности по замкнутому ЦИI{ЛУ. Поэтому процесс литья по,
давлением довольно просто автоматизируется с использованиеj
простейшых серийнь!х приборов, таких, как реле времени, реrуля
торы давления и электронные потеНЦИО lетры, а с помощью даl
чиков, преобраЗУIОЩИХ технолоrические параметры в элеКТРI1
ческие сиrналы, леrко может быть переКЛlочен на управлени
с ЭВМ. Это позволяет существенно повысить эффективность прои::
водства.
7.1. ТЕхнолоrия ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
l'ехнолоrический процесс литья изделий из термопластичны
по имеров состоит из следующих операциЙ: 1) плавление, rOM(
rениззция и дозирование полимера; 2) смыкание формы; 3) подвс
узла впрыска к форме; 4) впрыск расплава; 5) выдер)l(ка пс
6
'Ш
.
Рис. 7.1. Технолоrическая схема процесса ЛИТЬЯ термопластов:
а формование изделия, б раСI<рытие формы и IIзвлечение IЗДСЛIlЯ; 1 форма;
2 сопло; 3 цилиндр ЛlIтьевоЙ маШIIНЫ; 4 ШIlеl<; 5 БУНI<ер; 6 поршень узла
впрыска; 7 цилиндр узла впрыска; 8 llзделНе.
давлением и отвод УЗJIа впрыска; 6) охлаждение изделия;. 7) pac
крытие формы и извлечение изделия. Операционная схема про
цесса литья под давлением приведена на рис. 7.1.
В момент впрыска расплава и выдержки ero под давлением
(рис. 7.1, а) цилиндр литьевой маlUИНЫ 3 подведен к' литьевой
форме 1 и соп..rIО 2 соедин но с ЛИТНИКОВЬПvl каналом формы: Шнек 4
под действием поршня б узла впрыска перемещается к форме,
и расплав впрыскивается в формующую полость. Для исключения
вытекания расплава из формы дается выдер)кка под давлением.
Во время охлаждения изделия, коrда расплаJ3 в литнике доста-
точно охлажден, узел впрыска отводится от формы (рис. 7.1, б)
и начинается дозирование новой порции расплава, при этом шнек,
вращаясь, отходит вправо. В конце операции дозирования, коrда
накопится определенная масса расплава, шнек останав ивается.
После окончания охла/кдения форrvIа раскрывается и происходит
удаление изделия. Такова общая последовательность технолоrи
ческих операций.
7.1.1 Плавление, rомоrенизация и дозирование раСПJlапа
Данная операция осуществляется периодически через равные
ПрОl\1е)кутки времени и с постоянной для каждоrо 'KoHKpeTHoro
изделия частотой вращения шнека. ПлаВJIение полимера проис
ходит за счет передачи теплоты от HarpeTbIx стенок цилиндра,
а также вследствие диссипации энерrии вязкоrо течения расплава
и трения rранул. Во время впрыска расплава шнек не вращается,
ПОЭТОlVlУ наrревание rранул происходит только за счет теплопере
дачи. Таким образом, для расчета операция плавления при литье
под давлением разбивается на два этапа наrревания, при He
. подви)кном и вращающемся шнеке.
Операция дозирования ОСУlцествляется в результате пере
rvJещения ПОЛИl'Ilера в переДНiОIО часть цилиндра при вращении
шнека. Вращение IllHeKa ВКЛlочается после окончания выдержки
под давлеНИСl\1 преДЫДУlцеrо цикла литья и уменьшения давления
в цилиндре термопластавтомата. При давлении впрыска (60
140 JV\Па) наrрузка на JlllleI( очень веЛИI<а и вращение ero He
допустимо. Дозирование сопрово)кдается с)катием и наrреванием
200
rранул с последующим переходом полимера в вязкотекучее со-
стояние. .Для обеспечения хорошей rомоrениза ии расплава' во
время доз;ирования с помощью поршня узла впрыска на шнеке
создается усилие подпора, поэтому шнек отходит не свободно,
а преодолевая давление подпора.. Характер влияния давления
подпора на процесс движения и rомоrенизацию аналоrичен рас..
смотренному ранее (см. раздел 5.1). ,Следует заметить, что давле-
ние подпора увеличивает температуру расплава и повышает ее
однородность по сечению в каналах шнека.,С увеличениеrvl частоты
вращения шнека неоднородность расплава. в ero каналах возра-
стает, поэтому для rомоrенизации расплава увеличивают усилие
подпора за счет повышения давления масла в цилиндре узла
впрыска. Частоту вращения шнека и температуру по зонам ци-
линдра определяют экспериментально или рассчитывают с учетом
размеров шнека и давления подпора.
Шнеки литьевых машин конструктивно отличаются от экстру-
зио!!!-! тх. Они обычно имеют меньшую ДJЙ НУ (L/ D == 15 17)
и степень сжатия для них равна == 2+2,5(Это объясняется тем,
что в литьевых машинах не требуется создания во время дозиро-
вания высоких давлений и не ну)кна оче ь хорошая rомоrениза-
ция, так как при впрыске происходит дополнитель ый HarpeB
расплава и он хорошо перемешивается вследствие течения в лит-
о никовыIx каналах. Недостаток в !'омоrенизацi1И при дозировании
восполняется на последующей технолоrической операции, т. е.
при впрыске расплава в форму. Для Toro чтобы во время
впрыска можно было создать внутри цилиндра высокое
давление и исключить обратное течение распла а по каналам
шнека, на хвостовике шнека устанавливают запорный клапан
(рис. 7.2). ,-'
. Во время дозирования расплава втулка клапана 2 отжимается
расплавом от шнека 3 и полимер течет по продольным пазам ме)I{ДУ
наконечником 1 и втулкой клапана 2. При впрыске (как показано
на рис. 7.2) втулка прижимается !< конической части хвостовика
щнека, перекрывает I{аналы и ИСКЛlочает обратное течение. При
переработке нетермостойких полимеров (наПРИl\fер, жесткоrо поли-
винилхлорида) применяются шнеки без запорноrо клапана с удли-
ненным коническим наконечником. В данном случае BHyipeHHee
отверстие сопла и переходной втулки изrотавливают без уступов,
чтобы не возникали застойные з.оны. В OHцe впрыска конический
хвостовик шнека входит в коническое отверстие сопла, поэтому
. ,
расплав почти полностью выдавливается из ЦИЛиндра, за счет
чеrо уменьшается время 'ero пребывания в HarpeToM состоянии
и исключается термическая деструкция полимера. Чтобы расплав
I
во время дозирования не ;вытекал из отверстия сопла, узел впрыска
не отводят от формы или ВЫХОД,ное отверстие МУНДштука перекры-
вается клапаном. Наиболее часто это осуществляется с помощью
самозапирающеrося сопла (мундштука) (рис. 7.3). При дозирова-
нии, коrда сопло отведено от формы, расп.пав давит на клапан 2,
смещает ero влево и OKOBыe" входные отверстия перекрываются
201
РИС. 7.2. КОНСТРУКЦИЯ запорноrо клапана шнека:
1 наконечник шнека; 2 втулка клапана; 3 шнек.
РИС. 7.3. Самозапирающееся СОПЛО:
1 наконечник; 2 клапан; 3 корпус.
корпусом 3. На рис. 7.З клапан показан в открытом виде, коrда
узел впрыска подведен к форме.
Объем дозы расплава задается значением хода шнека вдоль
цилиндра при ero вращении за счет изменения расстояния между
кулачками конечных выключателей. После Toro как наберетсн
определенная порция расплава, шток при отходе назад нажимает
на конечный выключатель и вращение шнека прекращается.
В отличие от экструзионных процессов температура по зонам
цилиндра узла пластикации устанавливается значительно выше.
Это необходимо для уменьшения вязкости расплава, чтобы в MO
мент впрыска B отверстиях сопла и литников не возникали боль
шие перепады давлений. Однако при очень высокой температуре
на изделиях образуется облой (rpaT), т. е. расплав очень сильно
затекает в зазоры по линии разъема формы, а это невыrодно.
Поэтому температуру расплава выбирают с учетом толщины сте-
нок изделия, площади поверхности отливки, температуры формы
и реолоrических свойств полим:ера, а также в зависимости от раз-
меров литниковых I{аналов и термоетойкости полимера. Поскольку
дозирование осуществляется во время операции охлаждения и
раскрытия формы, то частоту вращения шнека рассчитывают из
условия обеспечения заданной дозы материала за определенное
время. При этом производительность узла пластикации должна
быть равна:
Qл (nG изд + Gл)/(t охл + t p )
(7. I )
rде G изд и G л масса изделия и литников; n rнездность формы; t охл и
t p время охлаждения и раскрытия формы. .
Расчет частоты вращения шнека, обеспечивающей необходи
мую производительность, проводят по уравнениям, рассмотренным
в rл. 5, с учетом поправочных коэффициентов, приведенных
в уравнениях (6.З) и (6.4).
7.1.2 Смыкание формы и подвод узла впрыска
После окончания паузы, предусматриваемой по завершении
операции извлечения отливки, -изrотовленной в предыдущем
цикле, срабатывает реле времени и включается механизм CMЫKa
202
ния. Смыкание формы осуществляется в результате перемещения
подвижной плиты термопластавтомата вместе с закрепленнЬй
на ней разъемной частью формы и создания определенноrо усилия.
Усилие Сl\fыкания N CM необходимо для исключения раскрытия
срормы в момент заполнения ее расплавом, оно должно быть равно:
N CM рф (F изд n + F л) (7.2)
rде Рф давление в форме, усредненное по площади отлiIвки; F изд и F л пло-
щадь изделия и литников в плоскости разъема формы.
В том случае, коrда площадь отливки очень велика и расчетное
усилие преВ Iшает максимальное усилие смыкания машины, чрез
мерно возрастает упруrая деформация закрывающих звеньев
rvlеханизма и изделия после литья имеют толстый облой. Иноrда
по этой же причине может произойти раскрытие формы.
Подвод узла впрыска к форме производится отдельным Mexa
низмом, при этом сопло цилиндра упирается в ЛИТНИКОВУIО втулку
формы И создается необходимое давление, исключающее утечку
'расплава. В момент подвода узла впрыска сопло должно pac
полаrаться соосно с литниковым каналом формы. При использо
ванин самозапирающеrося сопла (см. рис. 7.3) в момент подвода
узла впрыска происходит открытие клапана, так как наконечник 1
упирается в ЛИТНИКОВУIО втулку И перемещает лапан 2 внутрь
цилиндра. В этом положении боковые каналы клапана 2 OTKpЫ
ваются и соединяют между собой полость цилиндра слитнико"
выми каналами.
7.1.3. Впрыск расплава
При движении шнека вдоль цилиндра к соплу во'время впрыска
клапан шнека смещается, перекрывает каналы и исключает обрат
ное течение расплава по каналам шнека. Расплав полимера под
действием давления начинает течь через литниковые каналы в фор
мующую полость формы, заполняет ее, а затем под действием
давления сжимается. Так как заполнение формы происходит
в течение очень KopoTKoro времени (1 3 с), эту операцию назы
вают впрыском. Вначале расплав заполняет литниковые каналы
формы, а затем формующую полость, поэтому давление постепенно
повышается. Изменение давления при
впрыске показано на рис. 7.4 (отрезок Оа). Р: ъ
Таким образом, в момент начала впрыска
происходит нестационарный процесс тече
ни , Ta как изменяются скорость течения Ро
и длина канала, а также температура pac О
плава. Если не учитывать начальный период
заполнения литниковых каналов, то пос.пе т
дующее течение в литниковых каналах можно
Рис. 7 .4. ЦИКJI ДИаrра1\lма процесса JlИТЬЯ под давлением:
Оа заполнение формы' расплавом; аЬ сжатие; Ьс BЫ
держка под давлением; cd охлаЖДение ИЗДелИЯ.
С\
t o
d
t
10
t
203
1 2
а
J
ь
4- 5
Рис. 7.5. Схема заПОJlненltя формующей ПОJlОСТИ раСПJlавом в струйном ( -:) и в Jlами-
нарном (6) режимах: '
1 впускной литник; 2 стенки формы; 3 струя расплава; 4 твердый слой по
лимера; 5 фронт течения расплава.
с некоторым приближением считать установивщимся. При этом
скорость течения принимают, ИСХО,ця из производительности
ПЛУН)I{ерноrо rидравлическоrо насоса .питьевой машины, с учетом
которой объемный расход расплава через литник V р равен:
V р == V HR / cR (7.3)
rде V н объемная производите..ТIЬНОСТЬ rидравлическоrо насоса BbIcoKoro дав-
ления узла впрыска; R ш радиус шнека пластикатора; c' число параллель
ных литниковых каналов на расчетном участке; R п радиус поршня узла
BnpЫ Ka. "
В тех случаях, коrда скорость впрыска реrулируется, расход
расплава V р можно определить, исходя из времени впрыска t w :
V p == Gjpptwc 6 (7.4)
rде G масса впрыскиваемоrо расплава (отливки).
. ,
Время впрыска определяют по паспортным данным или экспе
риментально. В зависимости от скорости течения и вязкости
расплава изменяется количество теплоты, выделяющейся вслед
ствие диссипации энерrии вязкоrо течения, и происходит допол
нительный разоrрев полимера. Поэтому температура после впры
ска Т 2 будет равна:
т т + E PM + Е Рл
2 1 сррр
rде Т 1 температура расплава в цилиндре литьевой машины; !!,.Рм и !!,.Рл ne
репады давления в каналах мундштука и литниках формы, рассчитываются по
уравнениям табл. 5.1 с учетом (7.3) или (7.4); ср удельная теплоемоксть
расплава полимера.
Изменение температуры при литье под давлением показано
на рис. 7.4.
Характер заполнения формы расплавом зависит от скорости
впрыска и размеров формующей полости. Так, при очень высокой
скорости впрыска расплав после выхода из литников движется
в формующей полости вначале зиrзаrообразно (рис. 7.5, а), а по
мере заполнения ПО.пости формы расплавом происходит уплотне
ние отдельных зиrзаrов и струйный режим переходит в лами
нарный течение сплошным потоком (рис. 7.5, б). СтруЙный
режим возннкает преимущественно в том случае, коrда rлубина
впускноrо литника HaM:Horo меньше формующеrо зазора. При
JIитье тонкостеНIIЫХ изделий или впрыске расплава сневысокой
(7.5)
204
скоростью заполнение формы происхо.ДИТ сплошным потоком,
который образуется He ocpeДCTBeHHO около впускноrо литника.
Как в первом, так и во втором режимах заполнения расплав при
соприкосновении с холодными стенками:\..формы прилипает к по
I U '\
верхности и ,jHa неи появляеТСЯ iпленка затвердевшеrо полимера.
С одной стороны, образование пленки есколько уменьшает rлу
бину формующей полости, а с друrой, резко снижает последующее
охлаждение расплава ввиду малой теплопроводности полимера.
Поскольку заполнение формы происходит с высокой скоростью,
толщина образующеrося твердоrо слоя составляет доли милли-
метра и не оказывает значительноrо влияния на скорость течения,
особенно коrда литье проводится при высокой температуре рас-
плава и формы.
Известно, что при't течении расплава наибольшее напряжение
сдвиrа образуется на стенке [см. уравнение (2.99)]. Поскольку
расплав у поверхности стенок быстро охлаждается, то релаксация
напряж ний затрудняется, поэтому в поверхностных слоях изде
лия сохраняется высокая степень ориентации макромолекул.
Внутренние слои испытывают при течении меньшие" напряжения
сдвиrа и охлаждаIОТСЯ медленнее, поэтому в них молекулы почти
не ориентированы. Таким образом, течение расплава с одновре-
менным пристенным охлаждением обусловлив ет высокую степень
ориентации макромолекул в формующей полости и ее HeOДHOpoд
ность по толщине изделия. Ори-ентация макромолекул приводит
к упрочнению изделия ВДОЛЬ,направления литья, однако у поли
меров с жесткими цепями макромолекул вслед'ствие неоднород-
ности ориентации возникают большие остаточные напряжения,
которые вызывают появление микротрещин или понижают проч
ность изделия.
_ Анизотропию свойств издел й можно уменьшить за счет по
вышения температуры расплава. При заполнении 'формы распла
u u u
вом С повышеннои темпер.атурои и, следовательно, меньшеи вяз
костью возникают меньшие напряжения сдвиrа, кроме Toro,
ускоряются релаксационные процессы. Все это в совокупности
приводит К тому, ЧТQ В конце охлаждения макромолекулы поли
мера имеют меньшую ориентацию, чем при литье с ..пониженной
температурой, поэтому прочность изделия в направлении литья
и анизотропия свойств снижаются (рис. 7.6). Остаточные напря
женин при повышении температуры также уменьшаются. Такое же
влияние на степень ориентации и ее
однородность по толщине изделия OKa
зывает температура формы. а,мпа
На анизотропию свойств оказы
вают влияние rабаритные размеры 70
1
/
Рис. 7.6. Зависимость ПРОЧНОСТII издч ия (разру 50
wающеrо напряжения при растяжении) вдоль направ
ления литья от температуры расплава:
1 СОПОЛИМЕ:Р стирола с акрилоннтрилом 11 Метил
метакрилатом; 2 ПОЛllыеТ)fлмстакрнлат; 3 эмуль ЗО 180 200 220
сllОННЫй полистнрол; 4 блочный ПОЛИСТIlРОЛ.
J.
205
1
Рис. 7.7. Образование фронта расплава по ширине формующей полости формы и раз"'!
витие нормальных напряжений.' .
Рис. 7.8. Заполнение полости формы расплавом при наличии арматуры (или формующих
знаков:
1 формующий знак; 2 ЛИНIIЯ спая.
изделия в плоскости разъема. Так, после выхода из пита..
ющеrо литника расплав растекается по ширине формующей по..
лости, при этом происходит растяжение макромолекул в TaHr H"
циальном направлении и возникают нормальные напряжения аве
(рис. 7.7). Чем больше площадь изделия в плоскости разъема, тем
больше напря)кения аее и тем меньше анизотропия свойств зде
лия, так как эти нормальные напря}кения уменьшают степень
ориентации макромолекул в продольном и увеличивают в попереч
ном направлении.
На характер течения расплава оказывает также влияние
наличие в формующей полости знаков или арматуры. При обтека
нии их поток расплава разделяется, и при слиянии этих потоков
на противоположной стороне образуется линия спая (рис. 7.8).
После оrибания арматуры или знака два потока встречаются друr
с друrом КрОf\i1КОЙ фронта, rде расплав уже частично охлажден,
и дальше продолжают двиrаться без взаимноrо перемещения, т. е.
меiКДУ ними отсутствует сдвиr слоев. Такой характер движения
не способствует прочному соединению потоков, и изделие полу"
чается со стыковым швом, по которому при наrРУ)l{ении проис
ходит 'разрушение. Для уменьшения влияния стыковых швов
на прочность изделия литье под давлением следует про водить
при высоких температурах расплава и формы, а также при по
вышенной скорости впрыска. Стыковые швы можно упрочнить
за счет правильноrо подвода литника к формующей полости.
После заполнения формы полимером происходит дальнейшее
увеличение давления до заданноrо значения и сжатие расплава,
вследствие чеrо плотность ero возрастает. До значения Рф давле
ние повышается в течение KOpOTI<OrO времени (доли секунды)
(см. отрезок аЬ на рис. 7.4). Давление выбирается из условия до..
стижения необходимой плотности расплава, чтобы в процессе
охлаждения не происходило значительноrо уменьшения объема.
При недостаточном сжатии увеличивается усадка изделия и MorYT
образовываться ракс,вины или утяжины. Поскольку при сжатии,
а также при выдержке под давлением: происходит дополнительное
течение расплава (подпитка), то давление в форме всеrда не..
сколько ниже, чем в цилиндре машины, что обусловлено пере
206
падом давления в кан.алах. Однако этот перепад давления HaMHoro
меньше, чем в момент заполнения формы. Среднее давление, соз
даваемое в форме, Рф можно рассчитать по уравнению:
Рф == Рл (0,07/К + 0,045К + 0,72) (7.6)
rде Рл давление расплава на выходе из литника; К коэффициент, завися
щий от размеров фОРМУIощей полости, вязкости расплава и температуры формы;
К == <р (Х, Ф, Тр, Тф).
С некоторым приближением для определения коэффициента К
можно применить эмпирическое уравнение:
К == х (170/Т 2 )4/ф (7.7)
rде Х длина фОРМУIощей полости от выпускноrо литника; Ф средний пе-
риметр сечения формующей полости в плоскости, перпендикулярной к HanpaB
лению литья; Т р температура расплава.
Сжатие расплава необходимо рассматривать как термодина
мический процесс. Увеличение давления расплава обусловливает
изменение энтальпии системы, поэтому можем записать:
[ р ( dV уд ) ]
cpd + dQ V уд Т dT р dp
(7.8)
rде Y д удельный объем расплава при давлении р.
Поскольку сжатие раС!Jлава полимера происходит в очень
короткое вреl\1Я, то потери теплоты в окружающую среду dQ
малы. Выразив V д через давление и считая, что dQ == О, полу
чаем:
С р dT == V уде liр т ( d д ) р dp
(7.9)
rде V уд удельный объем расплава при атмосферном давлении и температуре
т э ; коэффициент сжимаемости полимера:
== RT 2 /[bM (рф + П)2 + RT 2 (Рф + П)]
Интеrрируя данное уравнение, находим
СрТ == v уд e (3P RT ln (р + П) + С 1 (7.10)
М
ПОСТОЯННУIО интеrрирования находим при rраничном условии:
т == Т 2 ; Р == Ро. Тоrда:
С 1 == Т 2 + уд e (3Po + R M T ln (Ро + П) (7.11)
t-'C p С р
Подставив полученное значение С 1 и считая, что РО == О, Ha
ходим:
T T2== V уд (l e (1P) - RT2 In ( L+l )
Cp СрМ П
Значение удельноrо объеl\lа V уд можно найти, используя ypaB
нение состояния (3.7):
У уд == [RT 2 /M (Ро + П)] + ь
(7.12)
(7.13)
, gQ7
С учетом значения V уд определяем теrvlпературу расплава
после сжатия тз:
т == ( RT2 +ь ) (1 e P) RT 2 In ( L+ 1 ) +т ( 7.14 )
з Cp МП СрМ П 2
Давление можно принять равным ero среднему значению
в полости формы и выразить через удельное давление литья, KOTO
рое с учетом (7.6) равно:
РФ (Руд p p ) (О,07/К + 0,045К + 0,72) (7.15)
rде P и p перепады давлений в литниках и мундштуке во время
подпитки.
с учетом потерь теплоты в форму температура расплава Т 2
на противоположном от литника конце формующей полости после
впрыска равна Tt. Усреднив ее по площади из уравнения (7.14)
находим:
т == ( RT2 + Ь ) (1 е Рф)+ Т2+Тt RT2 In ( РФ+П ) (7.16)
з 6с р МП' 2 СрМ n
И менение температуры в процессе ци-кла литья" показано
на рис. 7.4 и зависит от диссипаци энерrии вязкоrо течения
в литниковых каналах, а так}ке от степени сжатия расплава
в формующей полости.
7.1.4. Выдержка под давлением
После заполнения формы расплавом происходит ero ,охлажде
ние, в результате чеrо увеличивается плотность и уменьшается
объем, занимаемый полимером. Вследствие уменьшения объема
через литники в форму продолжает поступать дополнительная
порция расплава и давление в ней поддерживается постоянным.
Таким образом, после окончания операции впрыска наступает
некоторое равновесие давлений в цилиндре машины и в форму
ющей полости и течение переходит в медленное дополнительное
наrнетание расплава (подпитку); последняя компенсирует YMeHЬ
шение объема полимера в форме при ero охлаждении.
Выдержка под давлением (отрезок Ьс на рис. 7.4) обычно про
должается до тех пор, пока расплав в центральной части BЦYCK
Horo литника не охладится ниже температуры текучести. Так как
после охлаждения ЛИТНИI{а масса расплава в формующей полости
больше не изменяется (при отводе сопла вытекания расплава не
происходит), исходные значения теl\Iпературы и давления расплава
в.точке с определяют последующее изменение линейных размеров
изделия при охлаждении. Чем больше выдержка под давлением,
тем сильнее ПОНИ)l{ается температура расплава в формующей
полости, поэтому при последующеl\1 охлаждении размеры изделия
изменяются меньше. То e наблюдается при повышении давления
в форме. Таким образом, выдержка под давление м компенсирует
усадочные процессы, происходящие в форме, и зависит от разме
208
Рис. 7.9. ЦИКJI-диаrрамма JlИТЬЯ при ра3J1иq
н ЫХ режимах:
Oabcd оптимальный режим; Oab"c"d" BЫ
сокое давление в форме; OabcJfd J малая BЫ
держка под давлением.
р
Р,
ъ"
с"
Р"
Р,
ров литника, температуры pac E p
плава и формы, а также от тепло
физических свойств полимера. Bы
держка под давлением целесооб
разна, пока полимер в форму
ющей полости находится в pac
плаве, поэтому rлубину впуск
Horo литника обычно выбирают с учетом заданной усадки, но
меньше толщины стенки изделия.
При большой rлубине литника время выдержки под давле I
нием возрастает и уменьшается J?ремя, необходимое для охла}кде
ния детали. Поскольку операция охлаждения совмещается с дo
зировзнием расплава (пластикацией), за короткий промежуток
времени не успевает накопиться заданная порция расплава и I
необходимо будет увеличивать технолоrический цикл литья или
повышать частоту вращения шнека, что ухудшает rомоrенизацию. I
Поэтому не рекомендуется применять литники большоrо сечения. I
При продолжительной подпитке на расплав при ero охлаждении
в форме действуют напряжения сдвиrа, возрастает степень ориен I
тации макромолекул и увеличивается анизотропия свойств изде
лия. Для предотвращения эrorо целесообразно заполнить форму
расплавом, уплотнить ero под высоким давлением, перекрыть
литниковые каналы и прекратить подпитку. В этом случае течение
расплава в форме прекращается и в результате релаксационных I
процессов происходит дезориентация макромолекул. Такой'про
цесс можно осуществить при использовании литников с небоJiь
шой rлубиной (точечные литники) или мундштуков с запор :ым
клапаном. Однако в этом случае невозможно проводить под I
питку, поэтому для уменьшения .усадки изделий необходимо I
создавать в форме высокое давление.
Давление при выIержкеe рассчитывают с учетом всех техно- I
лоrических параметров процесса, а также размеров литников.
При правильно выбранном давлении после выдержки при охла I
)кдении в формующей полости остается некоторое остаточное I
давление Рост. Если чрезмерно увеличить давление в форме (диаr
рамма Oab"c"d" на рис. 7.9), то в конце цикла литья остаточное
давление Рост будет очень большим. ,Под действием Рост полимер I
плотно прижимается к стенкам формующей полости, силы трения :
возрастают, поэтому затрудняется извлечение изделий из формы
и при ВрIталкивании может произойти их разрушение..
Обратная картина наблюдается ;при" jмалой выдержке ПОД
давлением или создании низкоrо давлени в форме. Если сопло
машины отводится раньше, чем произойдет охлажденпе расплава.
в ЛПтнике, полимер вытекает из формы и давление aдaeT (диа \
209
о
t
rp<;1MMa Oaic'fd' на рис; 7.9). Из..за недостаточной компенсации
усадочных процессов на изделиях в этом случае ПОЯВЛЯIОТСЯ утя"
жины И раковины (пустоты) или увеличивается усадка.
7.1.5. Охлаждение изделия
.
Фактически охлаждение расплава начинается сразу после
впрыска расплава, однако как отдельная технолоrическая опера
ция охлаждение задается с ПОl\fОЩЬЮ реле времени по окончании
выдержки под давлением. Таким образом, выдержка при.охлажде
нии необходима для окончательноrо затвердевания расплава
полимера и достижения определенной конструкционной жестко
сти изделий, исключающей их деформацию при извлечении из
формы.
'Температура полимера перед размыканием формы должна
быть такой, чтобы при извлечении изделия не произошло ero
коробления или разрушения. В процессе охлаждения температура
расплава уменьшается, а так как объем остается неизменным,
то давление в фОр ..1е снижается (отрезок cd на рис. 7.9). Пqскольку
охлаждение происходит со всех сторон, то на поверхности форму
ющей полости образуется твердый слой полимера, который 1;3 даль
нейшем препятствует изменению объема. В ОТЛИЧl:'lе от производ
CT a экструзионных или выдувных изделий в данном случае даль
нейший рост плотности при охлаждении происходит за счет YMeHЬ
шения давления сжатоrо расплава, т. е. снижения давления в фор
мующей полости.
JIитьевые изделия l\10rYT иметь весьма разнообразную конфи
rурацию и размеры, поэтому на процесс охлаждения оказывает
влияние разнотол.щинность стенок, которая служит основной при
чиной появления остаточных внутренних напряжений. При за
полнении формы расплавом там, rд находится тонкая стенка,
ВО.'?!Iикают большие скорости сдвиrа, а OOTBe TCTBeHHO и высокие
напряжения сдвиrа. На участках, rде толщина стенок большая,
расплав течет медленнее, поэтому и степень ориентации в этих
формующих зазорах незначительна. При последующем охлажде
нии расплава происходит частичная дезориентация макромолекул,
однако, за счет более быстроrо охлаждения тонких стенок релакса
ЦИЯ на этих участках практически не протекает и различие в ори..
ентации усиливается. Таким образом, если изделие имеет различ-
ную толщину стенок, то после охлаждения степень ориентации
будет различной и это вызовет появление остаточных напряжений.
П'ри извлечении таких изделий из формы может произойти их
коробление или с течением времени образуются микротрещины.
Коробление возмо}кно и у изделий, не имеющих разнотолщин
ности стенок, в случае их HepaBHoMepHoro охлаждения. Поэтому
конструкция охлаждаIОЩИХ каналов формы должна обеспечивать
равномерное температурное поле. На коробление MorYT повлиять
не ТОЛЬКО' остаточные напряжения, но и последующая усадка
неравномерно .охлажденных участков. Так, при литье в форму t
210
а
5
к
Хм
хм
т
Trp
те . Т 2
тм 7f
7Лл т
Рис. 7. t о. Коробление изделий вследствие HepaBHoMepHoro охлаждения (Тф > Т ф) (а)
и при неправильном расположении литника (6).
Рис. 7. t t. Зависимость скорости кристаллизации от температуры полимера.
которая имеет различную температуру плит, в изделии после
извлечения происходят неравномерные усадочные процессы и оно
изrибается в сторону поверхности, которая была более наrретой
(рис. 7.10, а). Это объясняется тем, что линейные размеры более
наrретой поверхности изделия при охлаждении изменяются силь
нее, чем у менее наrретой поверхности.
Зависит коробление и от расположения литника в форме
(рис.' 7.10, б). При литье коробчатых изделий литник, как пра
вило, подводится к днищу. При подведении литника к боковым
стенкам может произойти их коробление вследствие неодинаковой
степени ориентации макромолекул. ТаI{ИМ образом, для получения
качественных изделий необх(Ьдимо создавать одинаковые условия
течения расплава и равномерную скорость охлаждения. Коробле
ние, обусловленное наличием остаточных напряжений, можно
частично уменьшить за счет повышения температуры формы или
расплава полимера. .
На качество литьевых изделий из кристаллизующихся поли
меров, кроме рассмотренных \ факторов, влияют также условия
кристаллизации. Известно, что скорость кристаллизации зависит
0'1: температуры полимера. При температурах плавления и стекло-
вания константа скорости кристаллизации равна нулю, а при
некотором значении температуры тм, находяiцеlVIСЯ в интервале
Тпл+Т с , она максимальна (рис. 7.11). На рис. 7.11 заштрихован
ная область соответствует интервалу температур Т 1 T2' при
которых константа скорости кристаллизации равна половине
cBoero максимальноrо значения К == К маис. Чем больше площадь,
оrраниченная температурами Т 1 и Т2' тем выше способность поли
мера к кристаллизации, оцениваемая величиной D:
D ::::: Кмаис (Т 2 Т 1)
(7. 17)
При охлаждении полимера размеры кристаллов определяются
величиной D и скоростью охлаждения, которая зависит от темпе-
ратуры формы. Основные пара метры кристаллизации некоторых
полимеров приведены в табл. 7.1.
211
ТАБЛИЦА 7.1. Параметры КРИСТ8миsации некоторых полимеров
-
,
Температура. ос
\
Наименование полимера
Те Т пл ТМ Т. Т 2
Полипропилен 20
Полиэтилентерефталат 67
Полиамид П 6 45
Полиамид П 6,6 45
Полистирол (и30таКТичесКий)........ '.. -.
Полиэтилен высокой плотности 21
176
265
228
. 264
,,, . 239
136 -''''.
65
180
146
150
170
95
207
169
190
190
35
147
123
JI0
1.50
Как видно из табл. 7.1, полупериод кристаллизации tО,б' Т. е.
время, необходимое для достижения степени кристалличности
50 %, очень сильно изменяется в зависимости от строения поли-'
мера. При большом значении t o ,5 леrко осуществляется реrулиро
вание процесса кристаллизации полимера. При медлеНIjОМ охла
ждении у таких полимеров преобладает развитая кристаллическая
структура, а при быстром охлаждении аморфная. Такие поли
меры, как полиэтилен и .полипропилен, менее чувствительны
к скорости охлаждения, так как имеюТ весьма малый полу период
кристаллизации, поэтому даже при очень низкой температуре
формы успевают закристаллизоваться и их трудно получить
в аморфной фазе.
В табл. 7.1 приведены значения температуры формы Т ф, при
которых достиrается равновесная степень кристалличности при
литье под давлением, т. е. исключается последующая вторичная
кристаллизация при комнатной температуре. Поскольку CKO
рость охлаждения расплава по rлубине фОРl\1ующей полости
различна, то' при литье под давлением всеrда образуется HeOДHO
родная структура по толщине изделия. На поверхности изделия,
как правило, она мелкокристаллическая или аморфная, а к центру
размеры кристаллов увеличиваются. Кроме Toro, MorYT образо
вываться специфические структуры, обусловленные кристаллиза
цией при наложении напряжений сдвиrа в процессе подпитки
формы расплавом. В тех случаях, коrда температура формы
и расплава имеет пониженные значения, появляются цепочечные
структуры, рассмотренные в r л. 1.
7.1.6. Раскрытие форrdЫ и извлечение изделия
-После окончания операции охлаждения происхрдит раскрытие
формы. Подвижная часть формы 3, закрепленная на плите узла
СМЫI<ания, отводится, при этом изделие 4 уходит вместе с' ней
(рис. 7.12). Выступающая часть толкателей 2 упираетtя в оrрани
читель 1 и они останавливаются вместе с изделием 4, а подвижная
часть формы 3 отводится дальше,. за счет чеrо происходит извлече
. .
212
Скорость роста
кристаллов
/0 5' С К м' c !
,
Т Фмин Т Ф макс D, ОС/с О, мкм/с
30 85 1,25 0,55 33 0,334
140 190 78 8,8. 10 3 0,53 0,167
70 .. 120 5 0,14 6;4 2,5
... . ... 70 120 0,416 1,66 133 20
. 185 3,7. 1 о з 0,15 4,17 · 10--3
40 60 0,014 49,5 83,4
иие изделия. Одновременно с изделием из литниковой втулки
извлекается литник. Расплав при течении из центральноrо лит
ника затекает в отверстие плиты 3, которое имеет обратный KO
. , нус, И застывает в »ем. В результате образуется замок, с помощью
KOToporo при раскрытии формы происходиТ извлечение литника
из литниковой втулки.
При изrотовлении втулок или коробок для извлечения их из
формы MO)KHq использовать плиту съема (рис. 7.13). При отводе
подвижной части формы 2 изделия б остаются на знаках 5 и дви
жутся вместе с ними. Коrда толкатели 3 упрутся внеподвижный
оrраничитель 1, плита съема 4 остановится, а подвижная часть
формы 2 со знаками 5 будет продолжать отходить влево, при этом
изделия 6 задерживаются П}lИТОЙ 4 и снимаются со знаков 5.
В формах с плитой съема литник извлекается из литниковой
втулки С помо.щью знака 7, имеющеrо на торце сферический BЫ
ступ. В момент прыска расплав охватывает этот выступ и после
охлаждения удерживается на нем. В момент размыкания формы
1 2 3 ч 56
7
Рис. 7.12. Извлечение изделия толкателем:
1 оrраничитель; 2 толкатели; 3 подвижная часть формы; 4 изделие; 5
ЛИТIIИК.
Рис. 7.13. Извлечение изделия плитой съема:
1 оrраНlIчитель; 2 подвижная часть формы; 3 толкатель; 4 ПЛlfта съема;
5 формующий знаl<; 6 IIЗДeJ1ие; 7 ЛИТНlIКОВЫЙ знаl{.
213
литник из канала извлекается знаком 7, а затем срываеtся сО
сферическоrо выступа плитой съема 4 вместе с изделиями.
При производстве изделий из' полимеров, обладающих сильной
адrезией, для уменьшения прилипания полимера к поверхности
формующей полости на нее после извлечения изделия с помощью
специальных аэрозольных баллончиков наносят антиадrезионную
жидкость (смазку). Обычно смазку наносят после нескольких
циклов литья. При изrотовлении армированных изделий цикл
литья завершается установкой в форму арматуры, которую иноrда
перед этим подоrревают.
7.1.7. Особенности технолоrическоrо процесса,
обусловленные конструкцией формы
При литье в мноrоrнездные формы, показанные схематично
на рис. 7.1,7.12 и 7.13, полимер расходуется на формование изде
лий и литниковой системы. Это приводит к нерациональному
использованию полимерноrо материала и увеличивает TpyдoeM
кость процесса, так как необходимо изделия отделять от литников,
"
а последние, в свою очередь, дробить и смешивать с полимером ДJlЯ
вторичной переработки.
.Технолоrия существенно улучшается при использовании форм
с точечными литниками (рис. 7.14, а). Изделие 2 оформляется
в закрепленной между двумя плита IИ 1 и 3 матрице, распла:в
в которую впрыскивается через литниковый канал 4. В связи
с тем что литниковый канал 4 имеет о.чень малые размеры, при
заполнении формующей полости весь расплав практически pac
ходуется на формование изделия и коэффициент расхода MaTe
риала (отношение массы расходуемоrо полимера к массе rOToBbIx
изде.лий) приближается .к единице: К р 1. Кроме Toro, при тече
нии через литник небольшоrо диаметра (0,8 1,2 мм) возникают
большие скорости сдвиrа (20 OOO 200 000 c l), что повышает
rомоrенизацию расплава. При этом расплав вследствие диссипа
ции энерrии вязкоrо течения дополнительно наrревается и за-
а
1 2 3 ;
6
123'1- 56
'8
1 2
7
Рис. 7.14. Формы с раЗJlИЧНЫМИ вариантами JlИТНИКОВЫХ KaHaJlOB:
а точечный литник; б rорячеl<анальный литник; 8 туннельный лИтник.
1 и 3 плиты; 2 и деЛllе; 4 литниковый канал; 5 ПЛlIта; б обоrреваемыА
канал; 7 наrреватели; 8 l1еремычка; 9 ТОЛI<атель.
214
Рис. 7.15. Сопло с подпружиненным клапаном,
1 наконечник; 2 клапан; 3 планка;
4 пружина; 5 корпус.
1 2
з 5
полнение формы расплавом улуч
шается. Блаrодаря малому pa
диусу литника время выдержки
под давлением уменьшается до
1 2 с, поэтому технолоrический
цикл сокращается. Быстрое ox
лаждение литника оrраничивает
подпитку формы расплавом, в
изделии полнее протекают релак
сационные процессы и качество
изделий повышается снижает
ся анизотропия свойств и усадки.
Поскольку литник имеет небольшие размеры, ero обычно не yдa
ляют и трудоемкость механической доработки изделий COKpa
щается. .
Точечное литье имеет свои пецифические особенности. При
изrотовлении толстостенных изделий, ввиду отсутствия подпитки
расплавом, необходимо увеличивать удельное давление литья,
в противном случае MorYT появиться утяжины. Чтобы исключить
застывание полимера в литнике в начальный момент впрыска,
ПРИl\1еняют сопла с подпружиненным к'лапаном (рис. 7.15). Перед
впрыском пружина 4 давит через планку 3 на I{лапан 2 и перекры
вает выходное отверстие наконечника 1. В момент начала впрыска
отверстие остается закрытым до тех пор, пока давление расплава
e превысит усилие пр ужины. Блаrодаря этому клапан OTKpЫ
вается тоrда, коrда в цилиндре уже создано достаточно высокое
давление, поэтому расплав начинает течь с большой скоростью
и тем самым исключается ero охлаждение в литниках. Таким
образом, при использовании форм с точечными литниками COKpa
щается время выдержки под давлением, повышается качество
изделий и сокращается расход полимера.
Изделия небольши,Х размеров целесообразна' изrотавливать
в мноrоrнездных формах, в которых можно использовать точеч
ный впуск, с rорячеканальными литниками (см. рис. 7.14, б).
Изделие 2 оформляется в матрице между плитами 1 1-1 3. Расплав
из СОПЛа машины через центральный литник течет по распредели
тельным обоrреваемым каналам 6, а затем через точечный впуск 4
поступает в формующую полость. Форма охлаждается, а темпе
ратура плиты 5, имеющей наrреватепи 7, поддерживается равной
температуре расплава в цилиндре машины. Так как после впрыска
охлаждается только точечный литник 4, а литниковая система
находится в HarpeToM состоянии, то полимер в литниковой систеl\lе
не охлаждается. По сравнению с обычными мноrоrнездными фор
мами расход полимера в данном случае резко сокращается, не
требуется механическая 'доработка издели!U( и дробление лит
НИКОВ.
215
Рис. 7.16. Литье}Sая пресс-форма с инжекционным прсссова-
нием:
1 подвижная плита; 2 изделие; 3 неподвижная плита.
Операция по удалению литников ис;клю
чается' и при литье. в формы с туннельными
литниками (см. рис. 7.14, 8). Расплав из pac I
пределительных литниковых каналов впры
скивается в формующую полость через TYH
нельный литник 4. При этом расплав в форму
течет не по каналам, расположенным в плоскости
разъема, а через коническое отверстие, просверленное в плите 1 и
отделенное от изделия в плоскости разъема'перемычкой 8. Изделия
и литники при раскрытии формы остаются в плите 1 и отводятся
вместе с ней. Коrда толкатель 9 останавливается, то изделия
и литники выталкиваются, при этом перемычка 8 своей острой
кромкой отрезает изделие 2 от туннельноrо литника 4. Это поз
воляет автоматизировать процесс литья и резко сократить ero
трудоемкость. Однако расход полимера в данном случае не COKpa
щается, как в rорячеканальных формах, и требуется вторичная
переработка литников.
При литье крупноrабаритных изделий в формующей полости
воз икают значительные перепады давлений и большая HeOДHO
родность в ориентации макромолекул. Все это прив<;>дит I К yxyд
тению механических свойств изделий. Для. исключения.. этих
недостатков применяют литье под давлением в пресс формы с ин
жекционным прессованием (рис. 7.16). Пресс-форма состоит из
подвижной 1 инеподвижной 3 плит, которые имеют двойные пло
скости сопряжения, обраЗУЮЩl:lе некоторое подобие закрытой
заrрузочной камеры, и MorYT взаимно перем щаться друr относи
тельно друrа. Точно дозируемая масса расплава впрыскивается
в неполностью сомкнутую пресс форму и заполняет свободное
пространство. Так как форма не сомкнута, то в формующей по
л.ости расстояние ме)I{ДУ плитами больше, чем толщина стенок,
и расплав течет без бол,ЬШИХ перепадов давлений, при этом YMeHЬ
шается ero охлаждение и ориентация макромолекул снижается.
После впрыска дозы расплава происходит СМ,ыкание формующих
плит и подвижная плита 1 входит в плиту 3, как пуансон в ма-
трицу. Вследствие создания усилия смыкания в форме возникает
необходимое давление, под действием KOToporo происходит сжатие
расплава. В данной конструкции пресс формы можно также-
использовать точечный литник. Применение инжекционноrо литья
позволяет значительно сократить те нолоrический цикл литья,
уменыпить расход полимера и снизить трудоемкость изrотовле
ния изделий. Основное же преимущество данноrо метода заклю
чается в повышении качества изделий уменьшается коробление,
нижается анизотропия усадки и прочности. Это достиrается
блаrодаря тому, что компенсация изменения объема расплава при
охлаждении осущеСТDляется без применения подпитки только
за счет' сближения плит формы.
СМ61ха-
........
ние
216
7.2. влияНИЕ. ТЕХНолоrИЧ СКИХ пАРАМЕТрОВ НА кАЧЕСТВО
ИЗДЕЛИЙ
Наиболее сильное влияние на прочность, усадку, твердость
и друrие свойства изделий оказывают давление, температура
расплава и фОI1мы, в'ремя выдер}кки и скорость впрыска. Влияние
технолоrических параметров на свойства издел й из аморфных
и кристаллических полимеров различно. Так, при литье аморфных
полимеров ударная вязкость с повышением температуры расплава
вначале повышается, а затем проходя через максимум снова
сниж-ается (рис. 7.17). Аналоrично' изменяется разрушающее
напряжение, однако ero максимум достиrается при более низких
значениях Т р, что, вероятно, связано с изменением степени ориен
тации макромолекул полимера при заполнении 'формы расплавом.
Влияние давления на прочность аналоrично влиянию темпе
ратуры (рис. 7.18). Однако при изменений давления в широком
интервале наблюдается несколько максимумов прочности изделий,
причем наибольшее значение п'рочности соответствует давлению
400 МПа. Особенно это характерно для кри'сталлических поли
меров, таких, как полиэтилен и полипропилен. Следует отметить,
что для кри таллических полимеров рассмотренные зависимости
несколько видоизменяются, так как от давления и температуры
зависит скорость их кристаллизации (см. rл. 1). ,
Как уже было отмечено, температуры расплава и формы очень
сильно влияют на анизотропию свойств изделия: чем выше эти
температуры, тем меньше разница в свойствах изделий вдоль
и поперек направления.литья. Особенно сильно на анизотропии
свойств сказывает ся время выдержки под давле ием. Чем больше
размеры литников, тем дольше длится подпитка формы расплавом,
поэтому охлаж ение происходит при воздействии напряжений
сдвиrа, а это затрудняет релаксационные процессы и увеличивает
ориентацию макромолекул.
Технолоrические параметры процесса литья также ВЛИЯIОТ
на усадку изделий, т. е. на их линейные раз:меры. Это достаточно
леrко проследить, используя зависимость плот;ности полимера dT
температуры и давления. Известно, что при увеличении давления
в форме плотность расплава возрастает. Например, при давлении
210 ос
100 '125 150 prp,Mffa
Рис. 7. t 7. Зависимость ударной вяз о'сти издеJlиi\ из ПОJlимеТИJlметаКРIIJlата от темпе
ратуры раСПJlава при раЗJlИЧНОЙ температуре формы.
,..
t:s
1ч
и, МПа
90
80
C\I
18
16
, .
Рис. 7.18. ЗаВIIСИI\IОСТЬ раз!зушаЮlцеrо напряжения при растяж нин JlздеЛIIЙ из ПОJlИ-
меТИJlметаКРИJlата ОТ давления 8 форме при температуре формы O ОС и раЗЛИ1IНОЙ TeM
пературе раСплава'. .
217
Рl исходная точка, характеризу
ющая состояние расплава, Haxo
дится на пересечении линий давле
ния Рl И средней температуры
расплава после выдержки под дa
влением Тср (точка а на рис. 7.19).
7ё. т/ т При увеличении давления плот
1J. ер ность полимера повышается и ис
ходное состояние смещается в точку Ь. Поскольку в точке Ь
" , I
плотность РР выше, чем в точке а Рр, при охлаждеI1ИИ расплава под
высоким давлением происходит меньшее изменение объема и
усадка изделий уменьшается. Действительно, если в уравнении
(3.8) удельный объем заменим ПJ10ТНОСТЬЮ, то получаем:
у == 1 (рр/Ро) 1/,
.Ро
р"
Рр
рр'
Рис. 1.19. ЗавиtИМОС1'ь плотно ти'" J)аtПJlайа
аморфноrо полимера от давления и температуры
(схема).
(7.18)
rде ро плотность полимера при 20 ос; рр плотность расплава полимера
в форме в конце выдержки под давлением.
Из уравнения (7.18) следует, что при увеличении плотности
расплава отношение Рр/Ро возрастает и усадка уменьшается.
Рассмотрим второй случай, коrда давление остается постоян
ным и равным Рl' а температура в цилиндре лит евой машины
увеличивается. В этом случае средняя температура расплава
в конце вьiдержки под давлением будет больше и равна T p (точка с
на рис. 7.19). Этому состоянию соответствует плотность p ", MeHЬ
шая, чем p в точке а. Таким <?бразом, с ростом температуры усадка
увеличивается. То же происходит при повышении температуры
формы: чем выше Т ф, тем больше средняя температура расплава
в конце вьiдержки под давлением и рабочая точка смещается по
направлению к точке С. Однако, если при повышении температуры
т р или Т ф увеличить выдержку под давлением, то усадка может
остаться прежней или даже несколько уменьшиться. Действи
тельно, если при выдержке t и температуре Т ф исходному COCTO
янию соответствовала точка с, то при увеличении продолжитель
ности выдержки при том же давлении Рl, рабочая точка смещается
к точке а. Так как средняя температура расплава после окончания
подпитки становится ниже, то усадка уменьшается.
Аналоrич ая картина наблюдается при увеличе'нии размеров
литника: чем больше ero сечение, тем бо'льше должно быть время
выдержки под давл.ением; следовательно, подпитка длится дольше,
расплав в форме охлаждается сильнее и усадка изделий сни
жается.
В случае изrотовления изделий с различной толщиной стенок
при равной выдержке под давлением среДНЯЯ темпер"атура pac
плава должна бь ть пропорциональной квадрату толщины стенки.
Т'аким образом, с уве.пичением толщины изделия .усадка растет
значительно сильнее, чем при изменении друrих параметров.
218
[Iодобный анализ леrко выполнить математически. Рассмотрим
случ'ай изrотовления пластины толщиной б в форме с литником
прямоуrольноrо сечения. Время выдержки под давлением t B
для литника прямоуrольноrо сечения из условия нестационарной
теплопроводности равно:
К л 8 2 h 2 16 (Т з Т охл)
t B :.=: п2а (82 + 1 2) .2,3 19 1[2 (Т Т Т охл) (7.19)
rде 8 и h ширина и rлубина BbInycKHoro литника; ТТ температура TeKY
чести (или плавления); Т охл температура охлаждающей поверхности формы
[см. уравнение (6.19)]; Кл коэффициент, учитывающий течение расплава
во время подпитки; а температуропроводность расплава; Т з температура
расплава после сжатия [см. уравнение (7.16)].
За время выдержки под даgлением происходит охлаждение
полимера в форме, а поскольку температура по сечению изделия
различна, то для расчета усадки необходи мо использовать значе
ние средней температуры. Это значение T(t) (в К) определяют
с учетом формы изделия по уравнениям нестационарной тепло
проводности, которые в несколько упрощенном виде приведены
ниже:
8 ( 1[2at в )
Пластина Т (t) :::= 1[2 (Т 3 Т охл) ехр б2 + Т охл (7.20)
512 [ 1[2atB (б 2 8 2 + 8212 + б 2 l 2 ) ]
Параллелепипед Т (t) == л;6 (Т 3 Т охл) ехр б 2 8 2 1 2 +
Сфера
+ Т охл /"
. 6 ( 1[2at В )
Т(t)=== п2 (Тз Тохл)ехр R2 +Т охл
32 [ (
Т (t) == 5,761[2 (Т 3 Т охл) ехр 2,42 +
1[2RЗ ) atB ]
+ 4l2" R2 + Т охл
(7.21 )
(7.22)
Цилиндр
(7.23)
При м е ч а н и е. В, 6, 1, R ширина, толщина. длина, радиус изделия. м 2 ;
t В время выдержки под да лением, с.
Подставив значение средней температуры в уравн1ение (3.11),
предварительно заменив t n ero выражением из (7.19), находим
среднее значение усадки для изделия в виде пластины при литье
8 форму через ще'левой впускной литник:
1[2М [ 2,3Кл82h2 16 (Тз Т охл) ] 1/а
(РФ + П) ех-р б2 (82 + h 2 ) Ig 1[2 (Т Т ---- Т охл)
у ер == 1 8R (Тз........ Т охл ) + 1[2 [RТ охл + МЬ (РФ + П)] х (7.24)
[ 2,3Кл82h2 16 (Тз ---- Т охл) ]
х ехр б 2 (82 + h 2 ) 19 1[2 (Т Т ---- Т ох л)
rде R rазовая ПОСТОЯ.Iная.
Если проанализировать уравнение (7.25), то можно проследить
зависимость усадки от всех технолоrических параметров процесса
(Рф, т Р' т ф, t 8 ), а также от размеров литников и изделия (6, h, S)
и от физических свойств полимера (М, Ро, Ь, П).
219
.2
а
О'
У ср , О/О .
3
Рис. 7 .20. Зависимость усадки
от давления (а) и температуры
формы (6) при Jlитье ПОJlИ9ТИ
JleHa низкой ПJlОТНОСТИ:
1, 5 экспериментально най
Денная усадка ВДоль и поперек
направления литья при толщи
не изделия 4 мм; 2, 6 то же
при толщине изделия 2 мм; 3,
4 расчетная средняя усадка
для изделий толщиной 4 мм и
2 мм соответственно.
3
0*0 60 80р,МЛа 60 Trp,oC
Поскольку при выводе ураВ'нения (7.24) не учитывалась ориен
тация макромолекул, значение усадки У ер находится между экс
, I
периментально определенными значениями усадки вдоль и поперек
направления течения расп'лава (рис. 7.20). Значения усадки
вдоль направления течения расплава У" и в направлении, пер
пендикулярном течению, Y.L взаимосвязаны:
Ка == у 11 /У .L (7.25)
rде Ка коэффициент анизотропии.
Если принять, что значения усадки по толщине изделия и
в направлении, перпендикулярном литью, примерно равны, мо-
жем записать:
у ер == (У" y )1/a
(7.26)
Из полученноrо уравнения с учетом (7.26) можно определить
усадку вдоль направления литья:
у 11 == У срК:! 3 (7.27)
Однако необходимо учитывать, что коэффицйент анизотропии
зависит от мноrих факторов и ero значения изменяются в довольно
широких пределах (Ка == .1,0+2,5),. поэтому используют экспе
риментальные данные.
1.з. РАСЧЕТ ТЕхнолоrИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА
ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Основными параметрами литья под давлением являются TeM
пература расплава в цилиндре машины, температура формы,
время выдержки под давлением, вреl.lЯ охлаждения и удельное
давление расплава. Поскольку часть параметров связаны друr
'с друrом, рассчитывать их целесообразно в приведенной ниже
последовательности.
Температура расплава., Температура в цилиндре машины
обеспечивается за счет наrревания стенок, а также диссипации
энерrии' вязкоrо течения. 'tlисленно она определяется в зависимо
сти от назначения изделий и их прочности, а также'требуемой
вязкости распл'зва поли:мера. Так, при литье 'под давлением, коrда
изделия не должн'ы обладать значительной анизотропией свойств,
220
применяется повышенная температура расплава. В данном случае
значение Т 1 рассчитывают по уравнению, (5.116) или (5.117),
а напряжение сдвиr,а 't n И 'Уа находят по нижней линии реолоrи
ческой области литья под давлением HOMorpaMMbI (см. рис. 5.48).
При изrотовлении изделий с повышенными меха!Iическими свой
ствами в направлении литья температуру расплава понижают,
поэтому напряжение сдвиrа 't n определяют по верхней линии peo
лоrической области HOMorpaM IbI. ,
Температура формы. Температура формы обеспечивает необ-
Ходимую скорость охлаждения и конечную температуру изделия.
Кроме Toro, при литье кристаллизующи'хся полимеров она влияет
на условия кристаллизации, а следовательно, и на свойства изде
лий. Поскольку методика расчета параметров кристаллизации
в неизотермических условиях в настоящее время не разработана,
температуру формы либо находят экспериментально или 'по спра
вочным данным, либо задают из условия обеспечения необходимой
жесткости изделия, т. е. она должна быть равна:
Т Ф == Т ИЗД 20 (7.28)
rде Т нзд температура изделия (рассчитывается по формулам, приведенным
в разделе 6.1.4).
Для определения температуры формы можно использовать
такж данные табл. 7.1.
Время выдержки под давлением. Поскольку литье происходит
при нестационарны,Х условиях теплопроводности, для расчета
можно испол зовать рассмотренные ранее уравнения, вид которых
зависиt от rеометрической формы итника. Расчет времени BЫ
держки усложняется тем, что охлаждение расплав в литнике
происходит во время подпитки, т. е. расплав течет через литник
со с оростью, зависящей от изменения объема полимера в форму-
ющ й полости. Чтобы не усложнять расчет, воспользуемся при-
ближенным методом, для ,чеrо в уравнение нестационарной тепло
проводности введем поправочный коэффициент К л, учитывающий
течение расплава через литник в момент ero о лаждения:
КЛ == L\V/Vл
.
rде L\ V объем расплава, наrнетаемый в форму во время выдержки под давле-
нием; V л объем впускноrо литника; коэффициент, учитывающий форму
литника, для цилиндрическоrо литника == 2, а для шелевоrо и кольцевоrо
Ь == 1,5.
Время выдержки под давлением наХОДЯТ при условии, что
температура в центральной части литника понижается ниже
температуры текучести тт. Таким образом, время выIержкии
под давлением для цилиндрическоrо впускноrо литника равно:
t B == к л ,2 2,31g 1,6 (ТЗ Т охл )
5,76а ТТ Т охп
(7.29)
tлоrичны
rде r радиус ЛИТника, для коническоrо литника принимают cpeД !eM TepMO
ero радиуса. -i>ормовании
.. 223
r .
В тех случаях, коrда применяется центральный ВПУСКНОЙ
,литник, радиус KOToporo больше половины толщины изделия,
время выдержки определяют по формуле:
t B == б 2 2,31g 4 (ТЗ Т охл) (7.30)
n 2 а n (ТТ Т охл )
rде б толщина издеJiИЯ.
Это же уравнение можно применять, коrда форма имеет коль-
цевой или веерный впускной литник, тоrда вместо б подставляют
r лубину литника и вводят коэффициент К л.
Время выдержки под давлением в форме с -прямоуrольным
впускным литником рассчитывают по уравнению (7.19), причем
если впускноЙ литник имеет трапецеидальное сечение, то вместо
ширины литника подставляют ее среднее значение.
Время выдержки при охлаждении. Охлаждение расплава начи
нается сразу же после заполнения формы и происходит до тех
пор, пока изделие не достиrнет определенной конструкционной
жесткости. Однако технолоrическое расчетное время выдержки
охлаждения задается по реле времени после отвода сопла от
формы, коrда расплав уже частично охлажден и имеет по толщине
изделия определенный профиль температуры. Поскольку расчет
профиля температуры сложен, удобнее найти общее время охла
)J{дения, а затем' из Hero вычесть выдержку под давлением. При
определении времени охлаждения необходимо учитывать конфи
rурацию изделий, их размеры,. температуру расплава и формы,
а также температуропроводность расплава. Расчет проводим по
уравнениям нестационарной теплопроводности, которые в зависи
мости от формы изделий имеют следующий вид:
Пластина t [ 2,3б 2 I g 4 (Тз Т охл ) ] t
охл n2а n ( Т Т ) в
ИЗД охл
{ 2,3R2 2,04 (Тз Т охл) }
t охл == а [5,76 + 2,46 (R/l)2] Ig Т изд Т охл t B (7.32)
[ 2,3б2В2l2 43 (Тз Т охл ) ]
Параллелепипед t охл == аn 2 (б 2 В2 + б 2 l 2 + 8 2 l2) 19 n3 (Т изд Т охл ) t B
(7.33)
При м е ч а н и е. б толщина изделия; Т изд температура изделия после
извлечения ero из формы (см. раздел 6.1.4); R, 1 и В радиус. длина и ширина
/ изделия. I
(7 .3 1 )
Цилиндр
Время выдержки при охлаждении можно рассчитыйать. также
rрафоаналитическим методом, используя критерий Фурье. Для
этоrо применяют rрафик рис. 10.20 и следующее значение OTHO
сите-!уьной температуры 8:
е == ('тз..... Тохл)/(Т д ---- Т охл )
Значение критерия Фурье Fo находят с учетом конфиrурации
изrотавливаемоrо издеЛI-.rя. Таким образом, время охлаждения
. J 1 на...
вя зкости р\.
изделия не J\.,
220
б 2 Fо
t охл == 4а е в
(7.34)
Удельное давление. Давление в форме наиболее сильно Влияе'r
на размеры изделий, поэтому в качестве исходной величины для
расчета удобнее принять усадку. С друrой стороны, давление
в форме зависит от потерь ero в литниках и каналах мундштука
и связано с удельным давлением. ТаКИl\1 образом, используя ypaB
нения (7.20) (7.23), находим среднюю температуру в конце BЫ
держки под давлением, а затем при совместном решении уравнений
(3.11) и (7.15) рассчитываем удельное давление 'в цилиндре литье
вой машины:.
К" - { (1 Y)3RT ер } ' '
Руд == (0,07 + 0,О45К 2 + 0,72К) 1\1 [vo Ь (1 У)З] П + Др + ДРМ
(7.35)
Поскольку удельное давление влияет на качество изделий,
то найденное расчетное значение Уl0ЧНЯЮТ экспериментально
с учетом остальных технолоrических параметров.
Fлава 8 Б....3
ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Изrотовление изделий формованием представляет собой процесс,
при котором лист из термопластичноrо полимера, наrретый до
температуры размяrчения, подверrают ВЫТЯ)l{ке, придавая ему
необходимую конфиrурацию, а затем производят охлаждение.
Для формования используют полим ные материалы, имеющие
выраженную область высокоэластичноrо состояния. Наиболее
леrко формуются изделия из аморфных полимеров и несколько
сложнее 1 кристаллических. Особенно это относится к поли
этилентерефталату, который в момент вытяжки должен находиться
в аморфном состоянии. Если полиэтилентерефталат переrреть,
он кристаллизуется и формование становится невозможным.
Широко используются также кристаллизующиеся полимеры, Ta
кие, как полиэтилен и полипропилен, с небольшими значениями
f!l) .зателя текучести расплава, т. е. имеющие сравнительно BЫ
сокую вязкость.
Методом формования изrотавли.вают изделия различной кон"
фиrурации, имеющие одинаковую толщину всех стенок. "Особенно
широко ПР'именяется формование при изrотовлении крупноrаба
ритных изделий (ванны, панели холодильников) или TOHKOCTeH
ных изделий (упаковочная тара), коrда литье под давлением He
применимо. Очень выrодно использовать данный метод при мелко
серийном производстве, так как технолоrическая оснастка Ha
MHoro проще и дешевле, чем литьевые формы. .
Физико химические основы процесса формования аналоrичны
рассмотренным paH e для экстру ,ии И литья под давлением TepMO
пластов; однако в отличие от ЭТИ,х процессов при формовании
.. 223
r .
J1ИСТОВ отСУтствует сд13иtовое течение расплава. Придание необхо-
ДИМОЙ конфиrурации осуществляется или в высокоэластическом
состоянии, или несколько выше температур'Ы текучести за счет
растяжения IIолимера, при ЭТОМ действующими являются нормаль-
ные напряжения. Кроме Toro, у кристаллизующихся полимеров
MorYT протекать фазовые перехЬ ы, обусловленные наrреванием
и охлаждением. Из химических процессов следует назвать окисле-
ние и деструкцию, выз,:ыIаемыыe чрезмерно высокой температурой
полимера при формовании. Однако при правильно выбранном
технолоrическом режиме эти реакции протекают незн чительно.
Технолоrический процесс формования может осуществляться
штампованием, пневмо- или ваКУУМфОР 10ванием.
8.1. ТЕхнолоrи.я ФОРМОВАНИЯ
,В зависимости от вида формования или применяемой ос-
настки технолоrический процесс может состоять из следующих
операций: 1) закрепление листовой заrотовки; 2) наrревание;
3) предв рительная вытяжка; 4) формование; 5) охлаждение;
6) вырубка и извлечение изделия. Операционная схема- формо-
вания приведена на рис. 8.1. .
Определенных размеров лист 3 закрепляется в зажиМной
раме 2 (рис. 8.1, а), а затем к нему подводится наrреватель 1
и проводится - -наrревание до температуры формования
(рис. 8.1, б). Перед формованием лист иноrда подверrаIОТ вытяжке
(рис. 8.1, в). В представленной схеме вытяжка осуществляется
пуансоном 4, который закреплен на подвижном поддоне 5. Пред-
варительная вытяжка может проводиться также сжатым воздухом,
а затем включается вакуум или создается давление, которое при-
жимает лист к формующей поверхности пуансона или матрицы
(рис. 8.1, с). После Toro как лист примет необходимую конфиrура-
ЦИЮ, он охлаждается формующей поверхност ю, а затем извле-
кается из формы. Для этоrо через нижний патрубок подается
сжатый воздух, который поднимает изделие над формой
(рис. 8.1, д). Извлечение можно проводить также с помощью
выталкивателей.
Q,
6
C:J C::J
с2 с:1
"" ,."""
1
.... ')
а " i ..
с
:
1.."............ 5
iJ
"''1 , t" "'
Воздух
2
А
224
8
)j
I"-"" "')"
Рис. 8. t. Операционная
схема изrотовления изделий
формованием из листов:
а закрепление листа; б на
rревание; в предваритель
ная вытяжка; вакуумФор
мование; д выталкивание.
1 наrреватель: 2 за
жимная рама; 3 листовая
заrотовка; 4 форма
(пуансон); 5 1I0ДДОН.
'8.1.1. Закрепление заrОтовки
Для быстроrо закрепления заrотовки обычно используют
автоматические или полуавтоматические устройства с эксцентри
ковым или кулачковым за}кимом. Поскольку на лист при вытяжке
или формовании действуют растяrивающие усилия, необходимо
так подбирать зажимы, чтобы лист прочно удерживался в раме.
Для расчета усилия зажима составим уравнение равновесия сил:
gзf SФ == О"тБФ
rде gз удельное усилие прижима; f коэффициент трения; S и Ф ширина
и периметр зажимной рамы; О"Т напряжение растяжения листа при формова
нии или вытяжке; б толщина листа.
Если заменить 'N з == gзSФ, то можно определить суммарное
усилие зажима N з :
N О"тБФ
з f
(8.1 )
В тех случаях, коrда формование или вытяжка осуществляется
с проскальзыванием листа, усилие должно быть значительно
меньше, оно должно лишь слеrка поджимать лист, чтобы не обра
зовались rофры или складки.
8.1.2. Наrревание листовой заrотовки
Заrотовки можно HarpeBaTb в сушильных шкафах, в электри
ческом поле высокой частоты или инфракрасными наrревателями.
Наrревание в сушильных шкаф-ах длительнее, чем остальные
методы, и применяется в основном для полимеров, чувствительных
к переrреванию. Это в пеРВУIО' очередь относится полиметил
метакрилату (орrаническое стекло), у KOToporo температура раз..
мяrчения близка к температуре деструкции, поэтому при интенсив
ном инфракрасном наrревании верх листа может приrореть, т. е.
появляются следы термической деструкции.
Высокочастотный HarpeB аналоrичен предварительному Ha
rpeBY пресс материалов и применяется для полярных полимеров.
Однако, несмотря на все преимущества, ero трудно применить
для наrреваНrlЯ больших листов или заrотовок, закрепленных
в зажимной pal\1e. В том случае, коrда лисТ не закреплен, озможно
ero коробjlение или образование складок. Это связано с тем, что
при ИЗfотовлении листов методом экструзии макромолекулы
ориентируются преимущественно вдоль течения расплава. При
наrревании -ПРОИСХОДИТ',дезориентация макромолекул и, размеры
листа ОJIзменяются несимметрично.
Наиболее часто для наrревания листов применпют инфракрас
ные наrреватели. Однако при инфракрасном HarpeBe по толщlине
листа I!озникает большой темпера1'УРНЫЙ rрадиент LlT, обусло
вленныи теплопроводностью полимера. Pa::laO TЬ температур на
поверхностнх листа зависит от мощности наrревате.ля, толщины.
;
8 Вор'тников В. r. 225:
Jiиста б и ero теплопроводности л. Количество теплоты, проходя-
щей через лист при одностороннем I-Iаrреве, W равно:
,\\,I ::= лS Т /б (8.2)
rде " S площадь листа; fJ толщина ЛIlста.
"Количество переданной теплоты расходуется на наrревание
полимера, поэтому можно записать:
W == сррБS (Т Ф то)/t и (В.3)
Приравняв уравнения (8.2) и (8.3), получаем время наrревания-
листа t п :
t _ сррб 2 (Тф То)
н л Т
(В.4)
rде То начальная температура листа; Т Ф температура формования, paB
ная средней температуре листа после наrревания, Т Ф == (Т в + т п)/2 (здесь т в
и Т н температура на верхней и нижнеЙ поверхностях листа).
Обычно формование проводится при условии, коrда нижняя
сторона листа аморфных полимеров наrревается выше темпера
туры стеклования Т с, а кристаллических выше температуры пла
вления Т ил ." Обоrреваемая поверхность обычно имеет более BЫCO
кую температуру, но она не должна быть выше термостойкости
(температуры деструкции Т д ). Разница температур по толщине
листа обусловливает температурныЙ rрадиент & Т == Т D Т н,
зависящий от интенсивности наrревания.' При уменьшении Bpe
мени наrревания разность температур на поверхностях листа YBe
личипается, то же ПрОIIСХОДИТ при увеличении толщины листа.
При большом rрадиенте температур по толщине полимер на обо
rреваемой поверхности может переrреться, что мо)кет вызвать ero
термическую деструкцию или изменение окраски. Поэтому тол
стые листовые заrотовки обычно наrревают при двухстороннем
расположении наrревателеЙ;j В этом случае время наrревания
уменьшается в 4 раза.
Интенсивность наrреваНIIЯ во всех случаях выбирается из
условия:
T Tд Tc (8.5)
Температуру формования обычно определяют эксперимен-
тально, так как она зависит от свойств полимера, толщины листа,
конфиrурации изделия и ero размеров. Эта температура оказывает
влияние на прочность и усадку изделия. Так,. .при очень низкой
температуре формование листа затрудняется' и требуется более
высокое давление (усилие) дЛЯ ВЫТЯЖКИ, аl'ПРИ высокой темпера
туре мо)кет произойти ВЫТЯ)l{ка листа под действием веса заrо
товки и ее сильное провисание. Чем больше размеры листа,
тем сильнее про'висание. Начало появления провисания листа
можно определить из равновесия сил. НаПРИlvfер, для круrлой
зажимной рамы' это равенство имеет вид:
nR 2 бр :::-: 2пRfJC1T
rдс R радиус заЖIIМНОЙ рамы; <1т предел текучести полимера.
226
ис. 8.2. Зависимость максимаJlLНОЙ степени вытяж
K ..иста от температуры формования при раЗJlИЧНОЙ 1700
СИJlе ,тока. наrреватеJlЯ. о
...
. I ::::t
Провисание для круrлой зажимной . 1300
рамы исключается, если выполняется .
900
неравенство:
От pR/2 (8.6)
\ cu
Подобные неравенства можно TaK ! 500
же получить для зажимных рам дpy
rой формы. Необходимо заметить, что
провисание уменьшается с, увеличением
молекулярной массы полимера, так как
при той же температуре они обладают более высокой прочностью
при растяжении. Температура формования влияет на способность
полимера к вытя}кке. Мцксимальная кратность вытяжки обеспе
чивается в определенной температурной области (рис. 8.2), KOTO
,
рая изменяется в зависимости от интенсивности наrревания.
Максимальная вытяжка означает, что при увеличении коэффи
циента растяжения больше определенноrо значения происходит
разрыв листовой заrотовки.
от температуры фор:мования зависит также качество изделий.
Формо ание при низких температурах обусловливает высокую
. степень ориентации макромолекул, и прочность изделий вдоль
направления выIяжкии увеличивается (рис. 8.3). Особенно это
;за lетно для образца 1, вырубленноrо в месте максимальной BЫ
тяжки листа. В тех случаях, коrда нужна незначительная аНИ30
тропия свойств изделия, температуру формования повышают,
при этом понижается также термическая усадка. Термическая
усадка проявляется при наrревании отформов нных изделий выше
температуры стеклования и является косвенным, методом оценки
степени ориентации макромолекул. Как видно из рис. 8.4, формо
вание при высоких температурах обусловливает меньшую ориен
тацию макромолекул, поэтому прочность И усадка снижаются.
На разнотолщинность lизделий в :ОСНОВIIО в.лияет paBHOMep
ность наrревания jпо Iплощади листовой заrотовки и степень ее
100
150 160 170 180 190 Т, ос
а,МПа
(J,
б
58
5ч.
50
1' 6 f)". .,"
., "
'12 5 (>
t=
J8 S0 100 1tO 120 130 1'fO Т 97' ос
'1
Рис. 8.3. Зависимость от температуры формования разрушающеrо напряжения при
раСТJlжении, (а) для образцов J б, выруб,,1е,ННЫХ ИЗ отформоваиноrо изде.uия (6).
. 8.
221
вытяжки. При неравномерной BЫ
тяжке в местах, rде происходит
сильное утонение заrотовки, YMeHЬ
шают интенсивность излучения
наrревателей, при этом темпера
тура листа избирательно пони
ается, и разнотолщинность изделия уменьшается. В данном
лучае заrотовка больше вытяrивается там, rде выше температура.
rlодобноrо эффекта также можно добиться установкой над листом
защитных экранов, которые уменьшают поток лучистой энерrии,
[1ЛИ применением фасонных наrревательных элементов.
ro
16
12
8
q.
о
100 120 1'10
Рис. 8.4. Зависимость термической усадки из
деJlИЙ от температуры формования:
1 сопgлимер винилхлорида с винилацета
том; 2 пластифицированный поливинилхло
рид; 3 непластифицированный поливинил
хлорид.
.1.3. Предварительная вытяжка листов
При изrотовлении rлубоких изделий, чтобы уменьшить разно
rолщинность, применяют предварительную вытяжку листа
rолкателем. В этом случае при движении толкателя вначале
происходит вытяжка боковых стенок, а затем, коrда на лист
цавит воздух или в форме создается вакуум, вытяжка листа по
цнищу (рис. 8.5, а). Для Toro чтобы лист 2 при соприкасании
с толкателем 3 не охлаждался, .торцовая часть толкателя имеет
более высокую температуру, чем форма,. Для подоrрева исполь
зуют наrревательные элементы 4. Чтобы уменьшить поверхность
касания листа с толкателем, торец последнеrо делают с выступа
ющей кромкой, как показано на рис. 8.5, а. При формовании без
толкателя лист преимущественно вытяrивается по днищу и изде
лие имеет значительную разнотолщинность (рис. 8.5, б).
Если осуществляется формование на пуансоне: (см.
рис. 8.13), предварительная вытяжка происходит сжатым возду"
хом. Давление подбирают таким образом, чтобы образующая
полусфера заrотовки COOTBeT
ствовала размерам пуансона
или была несколько меньше
ero. При изrотов.пении изделий
1 с небольшой высотой предва
5 рительная вытяжка,. как пра
вило, не применяется.
11
!Рв
22&
5
Рб
I
Рис. 8.5. Формование И3Д&JlИЙ с предва
РИТeJlЬНОЙ вытяжкой толкатe.nем (а) и без
ВЫТЯЖКИ (6):
1 зажимная рама; 2 лист; '3 тол
катель; 4 lIаrреватель толкателя; 5
матрица.
Рис. 8.6.Q"ЗавИсИМОСТЬ разрушающеrо напряжения при
растяжении изделий из ударопрочноrо полистирола от
коэффициеНТа вытяжки. '
с,мпа
80
8.1.4. Формование изделия 70
Формование изделий происходит 60
ВСJ:Iедствие вытяжки листа под действием
усилия пресса, сжатоrо воздуха или 500
вакуума. Скорость деформации листо
вой заrотовки обеспечивается скоростью
опускания плиты пресса или давлением и в каждом KOH
KpeTHO случае выбирается с учетом свойств полимера и темпе
ратур.ы наrревания (формования). Скорость деформации должна
быть такой, чтобы звенья макромолекул моrли переходить в новое
положение без разрушения основных валентных связей, т. е.
без разрушения цепей полимера. Ма.ксимальная скорость дефор-
мации реализуется только при определенной температуре поли
мера, при этом снижается разнотолщинность и происходит очень
сильная ориентация макромолекул. При уменьшении скорости
деформации ориентация ослабляется, так как макромолекулы
перед охлаждением частично успевают перейти в равновесное
состояние. Скорость вытяжки листа обычно реrулируется pac
ходом сжатоrо воздуха, подаваемоrо в форму, или производитель
ностью вакуум"насоса. Чаще Bcero это достиrается дросселирова
нием с помощью реrулировочноrо клапана. '
Процесс формования оценивается также коэффициентом BЫ
тяжки, который зависит от размеров и конфиrурации изделия.
Коэффициент вытЯЖки по площади листовой заrотовки может
быть различным и рассчитывает ся п о уравнению:
КВ == Vбл/б и 1 (8.7)
l де б л и б и толщина листовой заrотовки и стенки изделия.
Коэффициент вытяжки так же, как и скорость деформации,
влияет на ориентацию макромолекул и прочность изделия
(рис. 8.6).
Для Toro чтобы изделие получилось полностью оформленным,
необходимо определенное усилие или давление, которые зависят
от толщины листа, конфиrурации изделия, температуры и вязкости
полимера. Как правило, заранее рассчитать давление довольно
сложно, поэтому ero подбирают экспериментально. В момент
формования между формой и листовой заrотовкой находится
воздух. Для ero удаления в форме сверлят отверстия диаметром
1 2 мм, но не более' половины толщины стенки изделия. При
вакуумном формовании тркие отверстия слу)кат для отсасывания
воздуха из формы.
8\.1.5. Охлаждение изделия
Охлаждение, как правило, осуществляется 9ТВСДОМ теплотыI
стенками формы, обдувом сжатым воздухо:м или комбинированным
способом. В зависимости от метода формования\ и конструкции
229
формы ох.паждение бывает односторонним или двухсторонним.
Время охлаждения зависит от температуры формы, температуро
проводности и толщины стенки изделия. Че!\f ниже температура
охлаждающей поверхности, тем меньш время охла)кдения, однако
при очень резком охлаждении может произойти коробление изде
лий, особ нно при изrотовлении их из полиэтилена высокой
плотности. При низкой температуре формы затрудняется оформле-
ние ребер или острых уrлов, при высокой температуре. формы
на изделии после ero извлечения l'vlorYT появиться rофры или
складки, вызванные неравномерной усадкой. Температура формы
при переработке кристаллизующихся ПОЛИl\1еров влияет на CKO
рость кристаллизации, степень кристалличности и соответственно
на качество зделий. .
В процессе охлаждения происходит усадка изделий, которая
зави.сит от степени ориентации макромолекул полимера. при
фор:мовании на пуансоне усадка обычно меньше, так .как он пре
пятствует уменьшению линейных размеров, однако при этом
затрудняется съем изделий. Особенно опа'сНО это при формовании
изделий из жестких полимеров, поскольку усадка может цривестн
к растрескиванию изделий на пуансоне.
Время охлаждения изделия при двухстороннем теплоотводе
рассчитывается по уравнению:
t 2,362 1 [ 4 (Т л т охл) , ]
охл g
n 2 а n (Т изд Т охл)
rде Т л средняя температура листовой заrотовки; Т охл температура охла
ждающей поверхности LCM. уравнение (6.19)]. .
При одностороннем теплоотводе время охлаждения увеличи
вается в 4 раза, ero опредеЛЯIОТ по уравнению (6.17).
(8.8)
8.2. МЕТОДЫ ФОРМОВАНИЯ
8.2.1. Штампование
Формование листовых заrотовок с использованием штампов
проводится на прессах, с помощью которых создается необходимое
усилие. В зависимости от конструкции 'формы различают три
способа: 1) штампование между матрицей и пуансоном; 2) штампо
вание в матрицу эластичным пуансоном; 3) фОР,мование .толка
телем.
При штаМПОВ8НИИ между матрицей и пуансоном лист 3 закре-
пляют ме'жду двумя рамами 2, наrревают и 'укладывают на ма..
трицу 4 (рис. 8.7). При опускании пуансона 1 лист деформируется
и приобретает форму пуансона и матрицы. Поскольку зажимная
рама несколько больше матрицы, то вытяжка вначале происходит
по всей поверхности листовой заrотовки, обеспечивая хорошую
равнотолщинность. В конце смыкания заrотовка пережимается
пресс канта!\fИ пуансона (выступами) и изделие выруоается по
контуру формы. Воздух из полости формы в момент опускания
пуансона удаляется ПО воздушныIM каналам б.
2ЗQ
1
2
J
ч.
5
1
2
J
Рис. 8.7. ШтамповаНllе между матрицей и пуансоном:
t пуаllСОН; 2 зажимные рамы; 3 листовая заrотовка; 4 матрица; 5 ."..... ВОЗ
ушные каналы.
Рис. 8.8. Штампование ЗJlастиqным пуансоном в матрицу:
J rубчатая резина; 2 листовая заrотовка; 3 матрица.
Данный способ применяется для изrотовления изделий C
ной коll.фиrурации, так как с помощью пресса можно создать
большое усилие формования N ф. К недостаткам метода относится
высокая стоимость формы, в которой необходимо обеспечить точ
ное соответстпие размеров матрицы и пуансона. При отклонении
сопряrаемых размеров может произойти пережатие листа или
недооформление изделия.
Штампование элаСТИЧНЫl\1 пуансоном в матрицу применяется
при изrотовлении изделий не БОЛЪШQЙ rлубины и несло?Кной
к_онф rурации. Разоrретый лист 2 укладывают на lатрицу 3,
а затем проводят формование (рис. 8.8). В качестве эластичноrо
пуансона примеНЯIОТ толстый слой rубчатой резины или резино
вую диафраrму. При создании давления rубчатая резина 1 дe
формируется и производит вытяжку заrотовки 2, плотно прижимая
ее к матрице 3
Резиновая диафраrма закрепляется на поддоне, а ПРQстранство
между поддоном и мембраной заполняется жидкостью, которая
распределяет давление по всей поверхности. При смыкании формы
происходит деформация мембраны и она осуществляет. вытяжку
листовой заrотовки, плотно прижимая ее к матрице, после че о
изделие охлаждается.
Формование толкателем применяется для изrотовления изде
лий простой конфиrурации. в виде усеченноrо конуса, пирамиды
и их разновидностей. Форма изделия определяется конструкu:ией
зажимной рамы и толкателя. Так, если использовать круrлую
раму и !{вадратный толкатель, то основание изделия будет в виде
квадрата, а верх конический. k!зделия изrотовляются в такой
последовательности. Разоrретый лист 2 укла
дывают на поддон 1, прижимают рамой 3,
а затем с помощью толкателя 4 проводят
формование изделия (рис. 8.9) Основным
недостатком данноrо метода является
рис. 8.9. Формование TOJlKaTeJleM:
J поддон; 2 листовая заrотовка; 3 прижимная
рама; 4 толкатель.
231
медленное охлаждение изделия, ТаК как оно не всей поверх'
ностью соприкасается с пуансоном и поддоном. Этот метод He
l1роизводителен, поэтому применяется сравнительно редко.
8.2.2. Пневмоформование
Вытяжка листа при пневмоформовании осуществляется за
счет усилия, создаваемоrо сжатым воздухом. В зависимости от
конструкции формы существуют три разновидности способа:
J) свободное 'выдувание; 2) пневмоформование в матрицу; 3) пнев
моформование в матрицу с вытяжкой заrотовки толкателем.
Свободное выдувание. JIист 1 укладывают на поддон 3
(рис. 8.10) и закрепляют рамой 2. Подводится инфракрасный
наrреватель, и листовая заrотовка разоrревается. Затем через
отверстие в поддоне подается сжаТ IЙ воздух, под действием
KOToporo лист вытяrивается и образуется изделие в виде полу
сферы. Высота изделия реrулируется давлением. Охлаждение
проводится за счет обдува струей воздуха. Для Toro чтобы изде
лия получались определенной высоты, иноrда применяют orpa
ничители в виде скобы или с плоским дном. При касании полу'"
сферы и оrраничителя происходит срабатывание электромаrнит
Horo клапана и подача воздуха в поддон прекраrцается.
Пневмоформование в матрицу. Разоrретую заruтовку 3
укладывают на матрицу 4 и закрепляют поддоном 1 (рис. 8.11).
Через отверстие поддона подается сжатый воздух, под действием
KOToporo лист вытяrивается и ПРИ)l{имается к охлаждаемым стен--
кам матрицы. Для охлаждения матрица имеет каналы, в которые
подается вода. Для выхода воздуха из полости формы в момент
формования изделия в матрице имеются воздушные KaHa
лы 5. .
Данным способом MorYT изrотавливаться изделия слож ой
онструкции с. большой толщиной <;тенок. _ Однако при изr6товле
нии rлубоких изделий получается значительная разнотолщин
ность стенок. При формовании тонкостенных изделий, чтобы
струя воздуха не ударяла в лист и не прqисходило MecTHoro YTO
нения, в поддоне устанавливают распределитель воздуха, который
Воз{Jух
5 '
Рис. 8.10. Свободное выдува.ние:
1 издеЛllе; 2 прижимная рама; 3 поддон.
Рис. 8.11. n неВМОфОрМОВС1ние D матрицу:
1 поддон (J<РЫШI{".); 2 П}>Оiсладка; 3 заrОТQвка; 4 матрица; 5 воздушные
каналы. .
232
рис. 8.12. Пневмоформование в матрицу с вытяжкой заrо
товки толкателем:
1 матрица; 2 заrОТОВI<а; 3 ПрИЖlIмная рама; 4
толкатель.
ч
J
подает воздух одновременно по всей поверх 2
ности, при этом воздух предварительно подо 1
rревается.
Пневмоформование в матрицу с пытяж
кой листа толкателем. Этот способ приме
ня'ется при изrотовлении rлубоких изделий
Заrотовку 2 укладывают 11(:1 1Ylс1111ИЦУ 1, закрепляют рамой 3
и наrревают (рис. 8.12). Затем опускается толкатель 4, происходит
предварительная вытяжка заrотовки, после чеrо через отверстия
толкателя подается сжатый воздух и проводится окончательное
формование изделия. Заrотовка прижимается к стенкам матрицы
и охлаждается. Температура толк.ателя обычно поддерживается
на 20 30 ос ниже, чем температура листовой заrотовки. При
более низкой температуре возможно местное охлаждение листа
и формование затрудняется.
'8.2.3. Вакуумформование
Вакуумформование наиболее простой метод изrотовления
изделий из листовых заrотовок; применяется , менее сложная
конструкция формы, за вытяжкой листа можно наблюдат.ь визу'--
ально. Процесс изrотовления изделий' осуществляется в резуль
тате вытяжки под действием вакуума, как и пневмоформование
он имеет несколько-разнЬвидностей:
Вакуумформование в матрицу. JIистовую заrотовку 2 уклады
вают на матрицу 5, закрепляют прижимной рамой 1 и подводят
наrреватель (см. рис. 8.5, б). После разоrревания листа включают
вакуум Рв' между листом и матрицей создается разрежение и
происходит формование изделия. При ЭТОl'v1 заrотовка ;прижи
мается плотно к стенкам матрицы и охлаждается. Затем вакуум
отключают, а к матриц--е подводят сжатый воздух, происходит
выталкивание изделия.
'Вакуумформование с вытяжкой толкателем. В отличие от pac
cMoTpeHHoro способа, вначале происходит вытяжка разоrретоrо
листа толкателем, а затем формование в матрицу под действием
вакуума (см. рис. 8.5, а). Применяется этот способ при изrото
влении r уБQКИХ изделий, . коrда нужна нез.начительная разно
то,пщинность стенок.
Вакуумформование на пуансоне. JIист 3 закрепляют между
двумя рамами 2, )затем подводят наrреватель 1 (см. рис. 8.1).
После наrревания заrотовки поднимается пуансон 4, Зdкреплен
ный на }поддоне 5, и происходит предварительная ВЫ1'5fжка. OKOH
ча льное оформление изделия выполняеТС5f ,:на вуансоне под
деиствием вакуума. В данном случае совмеlцены две операции
вытяжка и формование, которые проводятся на пуансоне, и не
233
. t t
tf)
t::)
Ct:J
Рис. 8.13. Операционная схема вакуумформования на пуансоне с предваритеJlЬНОЙ BЫ
тяжкой сжатым воздухом:
а наrревание; б предварительное выдувание; в вытяжка; 2 формование.
1 наrреватель; 2 зажимная рама; 3 заrотовка; 4 пуансон; 5!.... проклаДI<а;
6 поддон.
а
6
t
8
а
требуется специальноrо толкателя. Однако пуансон при этом
Дол)кен иметь повышенную температуру, поэтому охлаждение
изделия замедляется.
Этот способ находит широк'ое пр,именение.
Вакуумформование на пуансоне с предварительной вытяжкой
сжатым воздухом.. Этот способ применяется в тех случаях, коrда
ПОДИ Р очень чувствиr.е.JIен к охла)l{дению. ( Чтобы в момент BЫ
тяжки лист 3': не касался холодноrо пуанс'она 4, вначале, под
листом создают давление, и лист вытяrивается, как при свобод
ном выдувании (рис. 8.13). В образовавшуюся полусферу DВОДЯТ
пуансон 4, а затем. ВК.J ючают . вакуум и проводят . окончательное
фОР 10вание изделия. Охлаждение осуществляют на пуансоне,
а также за счет обдува снаружи воздухом.
Вакуумформование с вытяжкой 'воздушной подушкой. В тех
случаях, коrда требуется изr.9.rови _ь rлубокое.,!:I .ц л.ие и обеспе
чить разнотолщинность стенок,
применяют ql0рмование с пред
варительной вытяжкой листа B03
душной подушкой (рис. 8.14).
JIист закрепляют между двумя
рамами 2, размер которых больше
матрицы, и ПРОБQДЯТ наrревание.
В 'толкатель 4 подают подоrре
тый воздух И начинают опускать
ero на лист. Внутрь матрицы 1
к 8аКУ!/М l1асоси
234
РIIС. 8.14. Вакуумное формование с вытяжкой
заrОТОВКII воздушной подушкой:
1 ..... матрица; 2 зажимная рама; 3 заrото
вка; 4 ...... толкатель; 5 воздушная подушка
r.:
1
t
,
fl
t Il
Рис. 8.15. Комбинированное формование.
.
также подают сжатый воздух, при этом лист как бы зависает над
матрицей, так как образуется воздушная подушка, в то же 'время
он не касается толкателя. Вытя) ка происходит между двумя
воздушными подушками равномерно по всей поверхности заrо
товки. После опускания толкателя заrотовка прижимается к Ma
трице, в ней создается вакуум и происходит окончательное формо '
вание изделия.
Комбинированное формование. При изrотовл нии изделий
сложной конструкции, в особенности с двояковыпуклым дни-
щем, применяют комбинированное формование (рис. 8.15). JIист
закрепляют в раме и наrревают (!)7 затем подводят к форме,
в которой создается давление (11). Происходит предварительная
вытяжка воздухом, и пуансон вводится в полусферу заrотовки
(111). Затем сверху" опускается толкатель, с помощью KOToporo
проводится предварительное формование внутреgnих элементов
изделия (IV V). Окончательное фОР Iование осуществляется под
дей твиеl\А вакуума, который СОЗД,ается между листом и пуаНСОНОl\{
(V 1). Данный' способ обеспечивает равномерную вытяжку листа'
и хорошую раВНОТОЛЩI1нно ть "стенок, изделия.
8.3. ФОРМОВАНИЕ НА ПОТОЧНЫХ ЛИНИЯХ
Основными, недостатками метода формования являются срав'ни-
тельно высокие отходы полимера и длительность технолоrиче
cKoro Цl1кла. Однако при крупносерийном и MaCCQB01\1 производ
стве изделий коэффициент расхода материала можно
уменьшить, применяя мноrоrнездные формы.
235
1
7 8
Рис. 8.16. Схема формова-
ния на поточной лннни:
_..
1 руЛОН листовой заrотов
ки; 2 наrрев тели; 3
форма; 4 толкатель; 5 .......
матрица:..вырубноrо штампа;
6 пуансон; 7 приемная
тара; 8 рулон отходов.
к 8aH!lYM Hacocy
L{ля одновременноrо формования несколь их изделий исполь
зуется одна общая зажимная рама, поэтому часть заrотовки, иду
щая под зажим, а затем на вторичную переработку, значительно
сокращается. Таким образом большая часть полимера расходуется
рационально и расход ero уменьшается. ;:;;..
Для сокращения длительности цикла необходимо совместить
операции наrревания заrотовки и охлаждения изделия или исклю
чить операцию наrревания. Совмещения операций по времени
можно добиться на поточных мноrопозиционных линиях
(рис. 8.16). JIист из рулона 1 подается на пульсирующую конвейер
ную линию, rде под действием наrревателей 2 разоrревается до
температуры формования. Затем под действием толкателей 4
происходит вытяжка листа и ПОСJ{еДУlощее вакуумформование
в матрице 3. После охлаждения лист с отформованными изделиями
устанавливается в матрицу 5 вырубноrо штампа. При опускании
пуансона 6 происходит вырубка изделий, которые укладываются
в приемную тару 7. Отходы листа наматываются в виде рулона 8,
а затем измельчаются ножевой дробилкой.
Однако при такой технолоrической схеме остается энерrоемкая
орерация наrревания заrотовки. Чтобы повысить эффективность
процесса в некоторых случаях целесообразно совместить экстру
зию листов И формование изделий на одной поточной линии.
Для этоrо вместо бобины 1 устанавливается экструзионный листd
вальный arperaT. Расплав после выхода из щелевой rоловки ча
стично охлаждается до температуры формования, а затем посту-
пает на формование. Особенно выrодно использовать подобную
технолоrическую схему при формовании изделий с большой тол
щиной стенок, коrда время наrревания сравнительно велико.
Т ким обраjо , формование на поточных линиях с использ
ванием мноrоrнездных форм позволяет уменьшить расход MaTe
риала, снизить трудоемкость и сократить потребление энерrии.
r лава 9
изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ
КАЛАНДРОВАНИЕМ
Каландрование это технолоrический процесс по учения ло
cKoro бесконеЧ,нпrо полотна определенной ширины и толщины,
осуществляемый за счет деформации расплава полимера в зазоре
между враlцаIОЩИМИСЯ валками. Методом каландрования полу
236
Рис. 9. t. ТехНОJlоrическая
схема изrОТОВJlения издеJlИЙ
каJlандрованием:
1 смеситель; 2 вальцы;
3 шнековый смеситель;
4 каландр; 5 охлажда
ющИе валки; 6 тянущее
устройство; 7 толщино
мер; 8 устройство для об
резания кромок; 9 HaMO
точный arperaT.
чают пленки, тонкие листы из жесткоrо или пластифицированноrо
поливинилхлорида, полиэтилена, ацетатов целлюлозы, yдapo
прочноrо полистирола и друrих полимеров. Широкое применение
находит каландрование для получения линолеума из BЫCOKO
наполненных композиций на основе поливинилхлорида.
9.1. ТЕхнолоrия КАЛАНДРОВАНИЯ
Технолоrический процесс получения пленок или листов со-
стоит из следующих операций: 1) смешение компонентов и Harpe-
вание композиции; 2) формование полотна; 3) охлаждение;
4) намотка или разрезание полотна. Схема процесса каландрова-
ния показана на рис. 9.1.
Исходные компоненты из дозаторов заrружаются в смеситель 1,
откуда смесь поступает на вальцы 2, rде разоrревается и дополни
тельно перемешивается. С вальцов масса в виде ленты напра
вляется непосредственно на каландр 4 или в шнековый смеси
тель 3, а затем на каландр. Пленка полимера проходит охлажда
ющие валки 5, отводится тянущим устройством 6 и наматывается
в виде рулонов на намоточном arperaTe 9.
9.1.1. Смешение компонентов и наrревание композиции
Для смешения компонентов применяют различные смесители
в зависимости от вводимых компонентов. Предварительно CMe
шанная масса поступает на вальцы или в двухшнековый смеситель,
rде происходит окончательное смешение, наrревание и rомоrени-
зация. По мере перехода с одной ступени смешения на друrую
температура композиции постепенно повышается и перед подачей
на вальцы она обычно равна или несколько выше температуры
текучести полимера. С вальцов rотовая композиция подается H
каландры в виде ленты, которая срезается с валка специальны'vI
устройством, и лишь в отдельных случаях заrружается периоди-
чески в виде скатанных рулонов. Однако этот способ не обеспечи
вает стабильноrо протекания процесса.
В случае применения двухшнековых или одношнековых смеси
телей на выходе из цилиндра устанавливается формующая ro
ловка, из которой композиция в виде ленты, пленки или жrута
237
поступает на входные валки каландра. При 'подrотовке массы
в шнековом смесителе наrревание расплава происходит без дo
ступа воздуха, поэтому исключается термическое qкисление поли
мера. При этом расплав перед входом в rоловку проходит через
фильтрующий пакет, что исключает П0падание в пленку посторон
них включений и повышает ее I{ачество. В тех' случаях, коrда
композиция подается на каландр в виде ленты или жrута, при
меняют качающиеся транспортеры, что способствует равномерному
распределению м ассы по ширине валков 11 лучщему смешению
компонентов . происходит усреднение состава композиции по
ширине полотна и во времени.
9.1.2. формование полотна
Формование полотна осуществляется в результате деформации
пластичной композиции в межвалковом зазоре каландра. При
вращении попарно располо>кенных валков масса за счет адrе
зионных сил затяrивается в сужающийся межвалковый зазор,
rде приобретает форму бесконечноrо полотна. Ширина пленки
или листа зависит от длины ваЛI{ОВ каландра, а толщина ее изме
няется в зависимости от ме>квалковоrо зазора.
В отличие от вальцевания, 'при каландровании полимерн й
материал проходит через ка>кдый зазор' между валками только
один раз. В зависимости от конструкции каландров полимерный
материал последовательно движется через несколько (обычно два
или три) межвалковых зазоров. По мере перехода с одной пары
валков на друrую зазор постепенно уменьшается, и на выходе
ero устанавливают в соответствии с требуемой толщиной пленки
(0,2 0,5 мм).
Как уже было рассмотрено ранее (rл. 4), на входе в валки
обычно имеется избыток материала, в котором за счет rрадиеlfта
давления возникает обратный поток, обе спечивающий циркуля
цию массы 'и ее перемешивание. Обычно каландрование проводят
при наличии фрикции валков (частота вращения валков различ
ная), однако значение фрикции задается неСI{ОЛЬКО меньшим, .чем
при вальпевании. Блаrодаря наличию фрикции и rрадиента давле
ния скорость движения расплава по rлубине зазора изменяется
(рис. 9.2), изменяется она также и по ходу дви)кения массы между
валками. Перед входом массы в узкую часть ме>квалковоrо зазора
rрадиент давления ИЗJменяет знак, поэтому скорость, обусловлен-
ная перепадом давления, суммируется со скоростью поступатель..
Horo движения расплава и ЭПlора скоростей изменяется (см.
рис. 9.2).
Такое сравнительно большое изменение скорости по rлубине
канала вызывает развитие высоких напряжений и скоростей
сдвиrа. Как y}l{e было отмечено ранее, с ростом GКОРОСТИ сдвиrа
улучшается rомоrенизация расплава и повышается качество
пленки. Однако при высоких частотах вращения валков резкое
изменение напряжений с,цвиrа по длине зазора вызывает проявле..
238 ·
Рис. 9.2. Изменение скорости V z по rлубинс
меЖВaJlковоrо зазора при различн ых rрадиен-
тах давления. у
ар >о
dz
dp
=o'
dz
ар <о
dz
ние вязкоупруrих свойств. 3Ha
чительное напряжение сдвиrа
обусловливает сильную ориента z
цию макромолекул и вызывает
'анизотропию прочности и усадки
пленки в продольном и попереч-
ном направлениях. За счет бы
cTporo послеДУlощеrо охлаждения
пленки дезориентация макромолекул исключ ется, поэтому при
последующем хранении пленки в рулонах происходит изменение
ее размеров и образование складок и rофров. Таким образом, чем
больше скорость каландрования и чем меньше межвалковый зазор,
тем сильнее выражена ориентация макромолекул. Уменьшить ее
можно повышением температуры расплава или примеlI нием
последующей термообработки пленки. Для этоrо полученное
полотно пропускают через наrревательное устройство. За время
движения в HarpeToM состоянии при отсутствии сдпиrовых напря-
жений протекают релаксационные процессы и анизотропия свойств
пленки снижается.
'Внешний вид П!Iенки существенно зависит от чистоты обра-
ботки поверхности, а также от характера перехода расплава
с одноrо валка на друrой. Если расплав a выходе из зазора пере-
ходит на быстровращаIОЩИЙСЯ валок, то имеет Me TO частичное
растяжение внешнеrо слоя и шероховатость поверхности пленки
уменьшается. В значительной степени качество пленки зависит
.и от температуры расплава. Температуру выбирают таким обра-
зом, чтобы в межвалковом зазоре не возникали большие давления.
Однако при высокой температуре вязкость сильно снижается
и затрудняется съем пленки <.: выходноrо валка. Температура вал-
ков влияет на степень ориентации, а в случае' переработки кри
сталлизующихся полимеров и на степень кристалличности
и размеры кристаллических структур. Та:RИМ образом, вяз
кость расплава необходи:мо поддерживать в определенном интер
вале.
Для предварительноrо расчета температуры валков Ka
ландра можно использовать реолоrическую HOMorpaMMY (см.
рис. 5.48), при этом напряжения сдвиrа должны COOTBeTCT
80вать реолоrической области производства труб методом
экструзии.
При движении расплава в межвалковом зазоре возникает да-
ВЛеНие, под действием KOToporo ПРОИСХ9ДИТ изrиб валков и тол
щипа пленки в средней части валков увеличивается. Для пред
Упре дения разнотолщинности валки обычно изrотов.пЯIОТ с утол
щением в средней .части (делают бомбировку) или выrибают в раз-
ные стороны. РаЗНОТОcl111 ИНIIОСТЬ МО}I{НО так)ке уменьшить за счет
неБолыIIrоo перекрещивания осей валков.
239
9. t .3. Охлаждение и намотка полотна
Полученное полотно охлаждается при помощи валков, внутрь
которых подается вода. В зависимости от конструкции устройства
процесс охлаждения может быть односторонним или ДBYXCTOPOH
ним. При. производстве пленки или листов из полиэтилена, поли
пропилена и ряда друrих полимеров необходимо обеспечивать
приж м пленки к поверхности охлаждаемоrо барабана или валка
(см. раздел 5.4). Охлаждение полотна из кристаJIЛИЗУЮЩИХСЯ
полимеров следует проводить при равномерной температуре по
верхности валка или барабана, поскольку от этоrо зависит одно-
родность структуры и степень кристалличности. Для достижения
этих условий на внутренней поверхности охлаждающих валков
не должно быть ребер, а охлаждающая жидкость ДОЛ}l{на распре
деляться равномерно.
Температуру охлаждающихJвалков обычно выбирают с учетом
обеспечения зад нной степени кристалличности или друrих
свойств, предъявляемых к пленке. Длина дуrи валка, OXBaTЫBa
емой расплавом S, и число валков т рассчитывают, исходя из
времени охлаждения и скорости движения пленки:
S == 2t охл v/m (9.1)
rде v скорость движения пленки; t охл время охлаждения, расс;читываемое
по уравнению двухсторонней нестационарной теплопередачи (5.120).
Пленка наматывается в виде рулонов на трубчатые бобины.
При намотке создается определенное усилие, чтобы исключить
образование в рулоне rофров или складок. Перед намоточным
arperaToM обычно установлены ножи, обрезающие боковые утол
щенные кромки, и толщиномеры, ИЗl\1еряющие толщину пленки
по ширине (см. рис. 9.1). После намотки полотна в полимере
ПРОДОЛ)l{ают протекать релаксационные процессы, сопровожда
емые изменением линейных размеров, поэтому, чтобы исключить
деформацию пленки, через определенное время необходимо пере"
мотать ее на новые бобины и ослабить внутреннее натяжение по
лотна. Иноrда эту 'операцию совмещают с термообработкой.
В тех случаях, коrда пленка поставляется в виде отдельных
отрезков, ее разрезают (с ПОl\10ЩЬЮ rильотинных ножей) и укла
дывают в виде пакетов.
9.2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ДВИЖЕНИЯ РАСПЛАВА ПОЛИМЕРА
В ЗАЗОРЕ МЕЖДУ ВАЛ КАМИ
Рассмотрим изотермическое течение, коrда цилиндрические
валки радиусом R вращаются с различной уrловой cKopocTыo Юl
и Ю2 (рис. 9.3). Как видно из рисунка, масса поступает в зазор
и образует на входе запас материала, коrда расстояние между
валками равно 2hs. Минимальный зазор между валками равен
2ho, а на выходе пленки, rде происходит отрыв расплава от одноrо
из валков, он равен 2h B . Для указанных точек координаты по оси z
240
Рис. 9.3. Изменение размеров и pacnpeAeJle
ния давления в межва ковом зазоре.
у
равны 'Z8' О и ZB. Давление в точ
ке с координатой Z == Z8 равно hs
нулю, а затем достиrает макси
мальноrо значения, при Z == ZM, РасплаВ
rде rлубина канала равна 2h M .
В месте отрыва расплава от одноrо
из валков давление вновь CTaHO
вится равным нулю. Таким обра
зом, рост и падение давления
обусловлены профилем зазора.
Коrда зазор на входе уменьшает-
ся, давление резко возрастает,
затем рост ero замедляется. При
подходе к самому узкому ече Zs
нию для продавливания' массы
между валками требуется допол"
нительная затрата внешней силы, поэтому часть давления pac
ходуется на преодоление вязкоrо течения. Исходя из этоrо, в точке
с координатой Z === ZM rрадиент давления меняет знак, и при по
следующем течении происходит умеНbluение давления. Посте
пенно к выходу расстояние между валками возрастает и rрадиент
давления ,уменьшается. В связи с таким профилем распределения
давления в точке Z == ZM оно достиrает максимальноrо значения
и dp/dz == о. Межвалковый зазор h изменя ется в зависимости
от координаты. z: h == R + ho V R 2 z2. Это леrко доказы
вается, если рассмотреть треуrольник (см. рис. 9.3), У KOToporo
rипотенуза равна R, а один из катетов z.
При анализе процесса течения расплава принимаем, что СКОЛЬ
жение на поверхности валков отсутствует. Вследствие Toro что
уrловая скорость валков во времени не меняется, инерционными
силами пренебреrаем. Считаем, что реолоrические свойства'опи
сываются степенным реолоrическим уравнением, а rравитацион
ные силы по сравнению с силами вязкости сравнительно малы.
На основании принятых допущений из уравнения движения Ha
ходим:
d"Cyz dp
dy dz
Интеrрируя данное уравнение, для фиксированноrо значения
координаты Z получаем:
(9.2)
dp
"С у, == dz У + С 1
(9.3)
Постоянную интеrрирования С 1 находим при следующих
rраничных условиях: при у == о скорость сдвиrа в середине за
зора, обусловленная перепадом давления, равна нулю. Тоrда
241
напряжение сдвиrа будет зависеть только от разности окружных
скоростей валков и зазора между ними:
С 1 === 't yz == К [(У 2 У 1 ) Y R2 z2/2hR]n
(9.4)
rде Vl И и2 окружные скорости валков, иl == ro 1 R, и2 == ro 2 R == ro 1 fR.
При 'отсутствии фрикции валков f == 1 и С 1 == о.
Подставив B уравнение (9.;3) найденное значение С 1 и значе
ния V 1 и V 2 , имеем:
dp + К [ rolR (1 1) У R2 Z2 ] п
1: yz dz У 2hR
(9.5)
Для нахождения скорости потока используем реолоrическое
уравнение состояния: .
, r dV z ] n
1: yz == К ... dy
Решая совместно ур внения (9.6) и (9.5), получаем:
dv z 1 ( dp ) 1/n
dy === K1/n dz у + 1:{
(9.6)
(9.7)
rде
1:/ == к [иl (1 1) У R2 z2/2/lR]n
Интеrрируя уравнение (9.7), находим:
п 1 ( dp ) (l+n)/n
V z == (1 + п) K111! dp/dz dz У + Ч + С 2
ПОСТОЯННУIО интеrр рования опред еляем с учетом следующих
rраничныIx услов иЙ: у == h, V z == Ю 2 V R 2 z2. Тоrда:
с YR2 2 п 1 ( d p h+ ) (1+n)/n
2 ro2 z (п+ 1) K1/n dp/dz dz 1:/ .
Подставив это значение с'!, в уравне ие скорости, имее.м:
п 1 [ ( dp ) (1 +n) / n
. V z == 002 VR2 Z2 + (1 +п) K111! dp/dz dz У + Ч
( dp ) (l+n)/I1 ]
h + 1: J
dz .
(9.8)
Эпюры распределения скорости по rлубине зазора в различ
ных сечениях показаны на рис. 9.2. Как видно из рисунка, при
полож тельном rрадиенте давления скорость движения расплава,
обусловленная вращением валков, не совпадает со скоростью,
вызванной rрадиентом давления, поэтом:у при большом значении
dp/dz в середине межвалковоrо зазора появляется поток, напра
вленный в противополо)кную сторону. При отрица1:ельном rpa
диенте давления состаВЛЯIощие скорости суммируются, поэтому
эпюра скорости становится выIуклой,, и обратный поток исче
зает.
242
Объемный расход расплава, проходящеrо через меж вал ко..
u
выи зазор, можно определить, воспользовавшись выражением:
+h
V == J V z dy
h
с учетом ( 9.8) И lVlеем:
V == 2h00 2 V R 2 Z2 + (А/В2) [(Bh + 't"j)(l+2n)/n + (Bh 't"j)(1+21l)/n
....... ФJВh + 't"j) (1+n)/n (9.9)
rде
. $. h
А == В Ф (9.10)
(l+n)(1+2n)K 1 / n ' dZ' (1+n) к 1 / n в
В полученные уравнения входит неизвестная величина
rрадиент да ления. Для нахождения ее воспользуемся законом
сохранения массы, cor ласно KOTOPO 1Y расходы на входе и,. на
выIодеe должны быть равны. Исходя из э тоrо, и меем:
V == 2h B 00 1 R == h M (001 + (02) V R2 Z2 (9. 11 )
rде h B размер зазора в месте отрыва расплава от BToporo валка.
h == БК в /2 (9.12)
rде КП коэффициент вытяжки пленки при отводе; б толщина пленки.
Таким образом, решая совместно уравнения (9.10) и (9.11),
нах?дим rрадиент давления dp/dz, а затем рассчитываем напря
жение сдвиrа; скорость и производительность с учетом длины вал
ков каландров [:
Q'l == 2ph B 00 1 R1
Для определения давления необходимо проинтеrриров ть ypaB
не ие rрадиента давления:
Р == J qJ (К. n. z) dz + с 3 (9.13)
С З находят с учетом rраничных условий: z == Zs, Р == О, так
как давление на входе равно нулю.
Координ ту Zs определяют по объему запаса расплава V s ,
создаваемоrо на входе в межвалковый зазор:
V s == 21 (hszs S)
rде S площадь cerMeHTa высотой hs ....:...... ho.
. S == 1/4R2 (nср/90 sin 2ср)
(9. 14)
rде <р -:-- arcsin zs/ R.
Подставив полученные равенства в выражение (9.14), Ha
ходим:
(9.15 )
/ V
Zs == (R2/ 4h s) ncp/90 sin2cp) + 2l s (9.16)
Таким образом, полученная система уравнений описывает
зако омерности изотермическоrо течения распла а' в ме)l{валко
вом зазоре. Поскольку обычно'температура валков отличается
от те пературы расплава, который к тому же дополнительно
243
наrревается вследствие диссипации энерrии вязкоrо течения, то
течение расплава следует рассматривать внеизотермических
условиях с учетом уравнения энерrии
дТ д 2 Т av z
pCpv z az == л д у 2 + 'tyz ду (9. 17)
при следующих начальных и rраничных условиях: у == О, dT/dy ==
== О, Т == Ти); у == :I::.h, Т == Тв; z == Z8' Т == То. Здесь ТВ TeM
пература валков; То начальная температура массы; Ср, л и р
удельная теплоемкость, теплопроводность и ппотность расплава.
Рассмотрение процесса каландрования с учетом неизотерми
ческих условий течения позволяет определить все параметры,
однако выполнить точное решение уравнений можно только с ис
пользованием ЭВМ.
r лава 10
изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ
ПРЕСС..МАТЕРИАЛОВ
Изделия из термореактивных полимерных материалов изrотавли
ваЮ1:СЯ компрессионным и литьевым прессованием или литьем под
давлением. Процесс изrотовления изделий основан на пласти
ческой деформации материала при одновременном действии на
Hero теплоты и давления с последующей фиксацией формы за счет
химическоrо отверждения связующеrо образования простран
ственной трехмерной структуры вследствие протекания реакции'
поликонденсации или полимеризации связующеrо. В качестве
исходных материалов используют композиции на основе фенол о..
формальдеrидных, феНОJIОФУРФурольных, мочевиноформальде
rидных, меламиноформальдеrидных и. друrих олиrомеров.
В качестве связующих применяют также кремнийорrанические,
полиэфирные и эпоксидные олиrомеры.
Пресс материалы обычно содержат около 40 70 % наполни
теля, 30 60 % связующеrо, отвердители, смазывающие веще
ства, красители и друrие добавки. .
Из наполнителей применение находят орrанические или мине
ральные вещества, порошкообразные или волокнистые. К opra
ническим порошкообразным наполнителям относится древесная
мука, из минеральных наиболее распространены кварцевый поро
шов, силизол, каолин, молотая слюда, rрафит, металлы и их
окислы. В качестве волокнистых наполнителей при меняют хлоп
ковое волокно, асбест, стекловолокно, уrлеволокно и др. В исход
ном состоянии пресс м:атериалы MorYT быть в виде ПОрОШI<а, rpa-
нул, ленты или спутанной волокнистой Maccы .
Несмотря на оБЩУIО тенденцию резкоrо увеличения производ
ства термопластичных материалов, особенно полиэтилена, поли
244
стирола, полипропилена, полив,инилхлорида, будет расти
и выпуск термореактивных полимеров. Этому способствует BЫCO
кая теплостойкость и прочность изделий из реактопластов, e
заменимых в машино и приборостроении. Термореактивные
материалы будут перерабатываться как новым проrрессивным
методом литьем под давлением, так и методом литьевоrо или
компрессионноrо прессования (при изrотовлении изделий слож
ной конфиrурации или насыщенных арматурой).
10.1. РОЛЬ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ В ПРОЦЕССАХ
ПЕРЕРАБОТКИ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ
При наrревании выше 100 120 ос пресс материалы вследствие
плавления связующеrо переходят в вязкотекучее состояние и
приобретаIОТ способность течь и заполнять формующую полость
пресс"формы.
По характеру течения пресс"материалы в HarpeToM состоянии
представляют собой неньютоновские псеВДОПJIастичные жидкости,
характерные кривые течения которых приведены на рис. 10.1.
Если представить' реолоrические зависимости пресс"материалов
в лоrарифмических координатах (рис. 10.2), то они имеют линей
ный вид, что указывает на возможность использования степенноrо
реолоrическоrо уравнения состояния. Как видно из рис. 10.1
и 10.2, реолоrические свойства реактопластов описываIОТСЯ Ta
кими же зависимостями, которые характерны для расплавов
термопластичных полимеров. Наиболее сильно изменяется вяз
кость в зависимости от скорости сдвиrа у пресс материалов,
содержащих порошкообразный орrанический наполнитель (пря"
мые 3 5 и 8 на рис. 10.2). Кривые течения пресс ма;rериалов,
наполненных кварцем (6, 7), имеют более крутой 'подъем, т. е.
для них показатель степени увеличивается. Наибольшей вяз
костью из всех рассмотренных пресс материалов обл дают Ar 4C
и дсв, наполненные стекловолокном (1, 2). Если подобные
материалы подверrаются шприцеванию или фильерированию,
стекловолокно частично разрушается и текучесть их повышается.
Для уменьшения давле
ния прессования вязкость tt,Mпa
пресс материала необходимо
снизить за счет наrревания
до бqлее высокой темпера 0,9
туры. Однако при увеличении
температуры уменьшается
время пребывания пресс 0,6
:материалов в ВЯЗКОТ J{учем
состоянии. f1ри высокой 0,3
Рис. 10. t. Зависимость напряжения
сдвиrа от скорости сдвиrа для пресс
материалов: . О
1 пресс-порошок Э6-014-30, 150 ос;
2 стекловолокнит Ar-4B, ! 40 ос.
200
'ICtl
I
600
1 C 1
I i
245
,Ла
2 t 6r
106 200
8 100
6
5 50
* ЗО
3 20 ..
2
10
2 J ч 5 6. 8 у, с.. 1 5120 1'10 160 180 ' Т. ОС
,
Рис. 10.2. Реолоrические кривые течения пресс материаJlОВ:
1 дсв. 150°С; 2 Ar 4C, 150°С; 3 ЭI0 З42 6Зt 170°С; 4 K 18 2, lЗО°С; 5
Сп 2 З42 02, 150 ОС; 6 К 114 З5, 170 ос; 7 ЭЗ З40-65, 170 ОС; 8. K 18 2, 170 ос.
Рис. 10.3. Зависимость времени вязкоте((учеrо состояния ОТ температуры для различ..
ных пресс матерltалов:
1 ОЗ 010 02; 2 01 040-02; 3 Э2-ЗЗО 02; 4 K 18 2; 5 ЭЗ-З40-G5.
температуре материал начинает быстро отверждат ся и теку..
честь ero ПОНИ)I{ается. Поэтому при изrотовлении тонкостен..
ных изделий прессованием материал не успевает полностыо за пол..
нить оформляющую ПОЛОСТЬ фОРМ I И они получаются недооформ-
ленными. Кроме Toro, снижается качество издели'й ухудшается
их внешний вид и увеличивается водопоrлощение. Формование
изделия происходит в результате растекания пресс"материала по
формующей полости, а при литьевом прессовании и литье под
давлением дополнительно возникает течение в литниковых каиа
лах.' Таким образом, удельное давление, которое возникает в мо"
мент заполнения формы расплавом, зависит от вязкости, скорости
опускания пуансона (подвижной части формы), а также от 'раз"
меров изделия и литников. Поэтому, температуру наrревания
материала следует выбирать с учетом возникающеrо давления,
а также длительности вязкотекучеrо состояния. Зависимость
времени пребывания материала в вязкотекучем состоянии t BT
от температуры является экспоненциальной (рис. 10.3) 11 мо)ке!
быть описана уравнением:
t BT == Ae U / RT
(10.1)
rде А, и постоянные уравнения; Т температура, К..
В конце формования изделия, коrда растекание l\'lатериала
прекращается, давление в формующей полости и в литниковых
i{аналах почти выравнивается и достиrает максимальноrо значе..
ния. Удельное давление обычно задается по усилию прессования
rИДР ВсПичеСКОI'О пресса с учетом площади изделия или заrрузоч...
ной камеры. Чем больше давление, создаваемое в пресс"форме,
246
тем выше плотность изделий (рис. 10.4). Аналоrичная зависимость
от даВ.пения наблюдается и для прочности (рис. 10.5). Следует
заметить, что плотность и прочность достиrают максимальных
значений в форме при давлении 20 35 МПа. Однако требуемое
давление зависит от ко фиrурации изделий и текучести прес
материала. Чем меньше 'толщина стенки изделия и больше ero
rабариты, тем выше дол}кно быть давление. Наиболее высокие
давления обычно создают при изrотовлении изделий из стекло.
волокнистых материалов или пресс"материалов на основе кремний':
орrанических полимеров и асбестовоrо волокна. ,
Под действием температуры в связующем пресс"материала
начинается химическая реакция отверждения. Например, пресс..
l'rlатериалы, содержащие резольные смолы, при наrревании обра..
зуют неплавкие и нерастворимые продукты трехмерной. струк"
туры, называемые резитами. По мере увеличения числа простран..
ственных химических связей вязкость материала возрастает, что
отражается на кривой изменения напряжения сдвиrа во времени
(см. рис. 3.4).
Считают, что на начальной стадии отверждения реакции
протекают не в направлении общеrо роста молекулярной массы
связующеrо, а в направлении су}кения ero молекулярно"массовоrо
распределения за счет увеличения молекулярной массы более
подвижных низкомолекулярных фракций. J3 этот период вязкость
композиции в большей степени определяется сцеплением частиц
наполнителя, образующих каркасные структуры, чем вязкостью
связующеrо. После образования сшитой структуры пресс"мате"
риалы теряют способность к вязкому течению. .
Скорость протекания реакции сшивания очень сильн изме
няется во времени, о че 1 можно судить по изменени напряжения
сдвиrа пресс материаtла (рис. 10.6). При этом максимум скорости
как по ее значению, так и по времени зависит от температуры.
Чем выше температура отверждения, тем больше KOpOCTЬ 11
раньше начинается реакция.
.
р, а/см 3
1,7
а,МПа
d=5MM
Z = 15 мм
20
1,6
15
чО Рср, МПа
о
'10 PrpМПа
/
Рис. 10.4. 3ависимо'сть плотности IIЗАелия. от давления 11 форме дли различных пресс-
материалов:
1 Вх4-030-З l l; 2 Ar-4.
Рис. 10.5. ЗаВИСltмость разрушающеrо напряжения при растяжении от давления в форме
для пресс материаJlа Вх4-080-34 при различных диаметре d, и длине 1 Лlfтника.
247
50
t:j
t:::::
Q;:
t:j'" 'f.0
CUC\)
:t:
CU
C't:)
30
Q;:
:::s
..o:Z:
E: CU
20
<::)t:"
10
ба
Рис. 10.6. Изменение скорости реакции ПОЛII
конденсации пресс материала Э2 330 02 во
времени при раЗЛИ1IНЫХ температурах.
Степень отверждения С связа..
на с константой скорости реакции
поликонденсации уравнением:
dC == К (Т) (1 С)т (10.2)
dt
rде К (Т) зависящая от температуры
константа скорости реакции; т поря
док реакции, т 1,42.
Общее время отверждения t OTB
очень сильно зависит от темпе
ратуры материала (рис. 10.7) и опи..
сывается следующим уравнением:
t OTB == Be BT (10.3)
rде В, постоянные; Т TeMnepaTypa, К.
На скорость реакции отверждения влияет также давление.
При увеличении давления вначале скорость возрастает; а затем
при достижении значения 80 МПа и более реакция замедляется.
Это можно проследить по степени завершенности реакции, KOCBeH
ной характеристикой которой может служить содержание paCTBO
римой части связующеrо (рис. 10.8): чем меньше это содержание,
тем полнее отверждение.
.. Скорость отверждения зависит так}ке от содержания воды
и леrколетучих соединений. Чем выше содержание воды (влаж
ность композиции), тем медленнее протекает реакция. Поэтому
влажный материал перед пре сованием подверrают сушке. Вода
выделяется также при реакции поликонденсации, поэтому в про
цессе прессования проводят периодическое удаление воды (под
прессовку) .
О
5
10 15 20
Время, мин
t OT 8,C
700 а, О/О
7
400
200 б.
&j 160
100 u
70
40
20120 160 180 7: ос
, ,
Рие. 10.7. Зависимость времени отверждения от температуры для:различных пресе-
материалов:
1 Э2-ЗЗО-02; 2 03 O]O-02; 3 01-040-02; 4 K 18 2.
Рис. 10.8. Зависимость содержаНИJl вещества Q, экстраrируемоrо :lцетоном из отвер"
)XAeHHoro феНОJlОфОРМaJlьдеrИДllоrо олиrО1\lера, ОТ давления при различных температурах.
248
Давление, создаваемое в процессе отвер>кдения, влияет На Ka
чество издеЛliй. При очень НИ31{ОМ давлении изделия получаlОТСЯ
рыхлыми с l1JIОХИ IИ Физико механическими характеристиками.
Поэтому ПОСJlе придания материалу неоБХОДИl\10Й конфиrурации
(во время выдержки при отвер}кдении) давление полностью не
снимаlОТ, а поддерживаlОТ в пределах 7 8 МПа. Давление пред
отвращает раскрытие пресс формы от действия паров воды, оно
так}ке способствует протеканию реакции сшивания.
Реакция ПОЛИI{онденсации сопрово)кдается выделением
теплоты, в среднем, соrласно экспериментальному определению,
40 48 КДЖ/I{r.
Из всех рассмотренных пара fетров наиболее СИJIьное влияние
на процесс поликонденсаци'и ОI{азыnает температура. В зависи
мости от температуры изменяется вязкость, время вязкотекучеrо
состояния связующеrо, скорость отверждения. Кроме Toro, TeM
пература наряду с друrими факторами (содержание влаrи,
температура предварите.ТIьноrо наrревания, свойства связу
ющеrо, размеры изделия) существенно влияет на прочность
изделиЙ.
При прессовании вла)кных материалов или при отсутствии
предварительноrо наrревания поверхностные слои полимера с по.
вышением температуры пресс формы быстро отверя{даются, по
этому на изделии MorYT появиться трещины, прочность ero сни
)I{ается. Наоборот, при интенсивном предварительном наI'ревании
с повышением температуры пресс формы процесс отвер)кдения
ускоряется без ухудшения свойств изделиЙ. Это обусловлено тем,
что предварительно наrретыЙ материал отверждается равномерно
по всему объему. При низких температурах' реакция протекает
медленнq и качество изделий сни}кается в результате длитель.
Horo выделения воды, изделия получаются немонолитными (pыx
J1ЫМИ) .
При прессовании изделий из lVlатериалов на основе HeHacы
1
щенных полиэсриров и эпоксидных смол реакция отвеР)l{дения
протекает без выделения побочных ПРОДУКТОВ (воды, леrколетучих
веществ), ПОЭТО I1У подпрессовка не требуется. Уменьшается усадка
издеЛl!Й, они ПОJlучаlОТСЯ более монолитными и с более высокой
точностыо размеров.
10.2. КОМПРЕССИОННОЕ ПРЕССО8АНИЕ
При компрессионном прессовании предварительно подоrретый
материал заrРУ>I{ается непосредственно в фОРМУЮЩУIО J;}ОЛОСТЬ
наrретой до высокой температуры пресс формы, после чеrо про
'водится смыкание пресс формы, Dыдержка материала под давле
нием и отверждение.
'fехнолоrический процесс. состоит из следующих операций:
1) предваритеJIьное наrревание материала; 2) заrРУЗI{а MaTe
риала; 3) смыкание пресс формы; 4) 1I0дпрессовка; 5) выдер)l{ка
249
й
(
Рис. 10.9. Операционная схема изrотовлеНIIЯ изделий компреССИОIIНЫМ прессованием:
а заrрузка пресс материала; б смыкание преСС фОрl\lЫ; в раСI<рытие пресс-формы
и извлечение изделия. J толкатель; 2 пресс-материал; 3 пуаllСОН; 4 матрица;
5 изделне.
под давлением и отверждение; 6) .размыкание пресс формы; 7) из
влечение изделия; 8) очистка пресс формы. Схема компрессион
Horq. прессования показана на рис. 10.9.
10.2.1. Предварительное наrревание материала
Подоrрев материала проводится преимущественно в reHepa
торах высокой частоты. Навеску пресс-материала в виде таблеток
укладывают на подставку и помещают в камеру установки, rде
выдер)кивают в течение заданноrо времени. Вр.емя наrревания
материала обычно выбирается с таким расчетом, чтобы темпера
тура таблеток ДОСТИI'ала 120 160 ОС, и задается по реле времени.
После этоrо reHepaTop выключается, а таблетки сразу же выни-
мают и заrружаIОТ в пресс форму. Для Toro чтобы соблюдалась
такая последовательность, reHepaTop включается также автома-
тически в соответствии с длительностью предыдущих технолоrи
ческих операций (размыкание формы, извлечение изделия, очистка
формующей полости).
I<.aK уже было показано в rл. 4, интенсивность высокочастот-
Horo наrревания зависит от напряженности электрическоrо поля,
т. е. от напряжения колебательноrо контура, высоты таблетки
и воздушноrо зазора между подвижной пластиной и таблеткоЙ.
Чем меньше это расстояние, тем быстрее происходи'1 наrревание.
Для более paBHoMepHoro наrревания таблетки, как правило,
укладывают на торец, они должны иметь одинаковую высоту.
В высокочастотных reHepaTopax можно также подоrревать порош-
кообразный материал. В этом случае навеску засыпают в CTaKaH
чики или поддоны, изrотовленные из диэлектрических материалов
(керамики, полиэтилена, фторопласта и др.). Поскольку порошок
имеет HeBbICOI{YIO плотность, время наrревания несколько увели
чивается. Частоту колебательноrо контура и l'vIОЩНОСТЬ reHepaTopa
выбирают в зависимости от свойств материала и навески.
тех случаях, коrда прессы оборудованы шнековыми пласти
каторами, наrревание осуществляется за счет тепловых процес-
сов, протекающих в каналах шнека; при этом операции дозиро
вания, наrреваНИЯ и заrрузки совмещаются.
250
10.2.2. 3arpY3Ka материала и смыкание пресс- )ормы
Материал в матрицу пресс формы заrружается с помощью
приспособлений и механизмов, а таI{же вручную. На прессах
автоматах и линиях непрерывноrо прессования заrрузка таблеток
осуществляется автоматически непосредственно на высокочастот
ной установке. Таблетированные пресс материалы дозируются
по числу таблеток. Для порошкообразных материалов применяется
весовое или объемное дозирование, для нетаблетированных волок
нистых материалов весовое дозирование. Если пресс форма
мноrоrнездная с несколькими заrрузочными камерами, то в Ka}K
дую из них _ заrружается заданное число таблеток пресс мате--
риала, в некоторых случаях с определенной укладкой таблеток.
Например, при прессовании изделий из стекловолокнита (Ar 4C)
ленты укладываются с определенным располо}кением стекло
волокна, обеспечивающим прочность деталей в нужном напра
влении.
Смыкание пресс формы и процесс формообразования изделия
(см. рис. 10.9, б) осуществляется в результате опускания пуан
сона 3, закрепленноrо на подвижной плите пресса, и создания
необходимоrо удельноrо давления. Удельным давлением прессо
вания называют эффективное усилие пресса, приходящееся на
единицу площади прессования. Удельное давление выбирают,
исходя из текучести пресс материала, 'конфиrурации изделия,
а также температуры прессования. Чем больше текучесть, тем
меньшее требуется давление. Обычно компрессионное прессование
проводят при удельном давлении 25 40 МПа. При изrотовлении
тонкостенных изделий или изделий сложной конфиrурации,
а также при прессовании волокнистых пресс материалов требуется
большее удельное давление (40 50 МПа).
При смыкании пресс формы происходит дополнительное Harpe
вание материала от стенок формы и переход ero в вязкотекуч е
состояние. Вследствие создания удельноrо давления материал
течет в формующей полости, приобретает конфиrурацию изделия
и уплотняется.
10.2.3. Подпрессовка, выдержка под давлением,
отвер,>кден не
Подпрессовки проводятся через некоторое время после CMЫKa
ния пресс формы. Коrда пресс материал наrреется, начинается
процесс поликонденсации, сопровождающийся выделением
воды и леrколетучих соединений (побочных продуктов); кроме
Toro, испаряется влаrа, находившаяся в пресс материале. Для
удаления образовавшихся паров пресс форму размыкают на He
продолжительное время. Если пресс материал был предвари
тельно HarpeT до высокой температуры, то подпреССОБКУ проводят
сразу же после смыкания пресс формы, так как процесс отвержде
ния протекает весьма интенсивно. Если изделие имеет большую
251
толщину, а матер иал предвар ительно наrревался до невысокой
температуры, подпрессовку делают через некоторое время (3
60 с) после смыкания пресс формы, после Toro как материал
проrреется. При прессовании очень влажных материалов делают
несколько подпрессовок. Число подпрессовок можно сократить,
применяя 'большее предварительное наrревание. При прессовании
изделий из материалов на основе полиэфиров или эпоксидных
смол подпрессовки не требуются.
Выдержка проводится в сомкнутой пресс форме под давлеНИёМ,
при этом за счет высокой температуры происходит реакция OTBep
ждения и пресс материал переходит в неплавкое инерастворимое
состояние, т. е. изделие становится твердым. В отличие от п{:}ессо
вания термопластичных полимеров, в данном случае изделия после
отверждения извлекаются из пресс формы без охлаждения, так
как полимер необратимо переходит в неплавкое и нерастворимое
состояние.
При отверждении изделий поддерживают определенный Tex
нолоrический режим (давление и те.мпературу). Давление при
отверждении может быть снижено до 8 9 МПа, поскольку оно
необходимо' в основном для исключения раскрытия пресс формы
под действием паров воды и леrколетучих соединений. Практи
чески удельное давление при отверждении на прессах поддержи
вают таким же, как и в момент смыкания пресс формы (25
40 МПа). Однако это обусловлено лишь конструкцией rидро
пресса и не связано с требованиями технолоrии.
Температуру прессования обычно выбирают по справочным
данным или определяют экспериментально. Время выдержки
устанавливают с учетом толщины и температуры формы: чем выше
температура, тем короче' выдержка. Однако при очень высокой
температуре происходит слишком быстрое отверждение поверх
ностных слоев изделия и вода, находящаяся внутри изделия,
через отвержденный слой удалиться не может. При раскрытии
пресс формы под действием паров воды возможен разрыв поверх
ностных слоев и появление на изделии вздутий или трещин.
10.2.4. Ра мыкание и очистка пресс"форм
Размыкание стационарных пресс форм, т. е. пресс форм, за
-крепленных на нижней или верхней плите пресса, проводится
за счет движения подвижной плиты пресса. Съемные пресс формы
разбирают на рабочем столе с помощью специальных разъемни
ков. Размыкающие штанrи имеют уступы, которые при нажатии
действуют на плиты пресс формы и разъединяют их. При размыка
нии стационарных и съемных пресс форм изделие, как правило,
остается в матрице, оттуда ero леrко извлечь выталкивателями.
При изrотовлении издEtлий сложной конфиrурации пресс формы
MorYT раЗ lЫI{а.тьс 110 неСКОЛрI\Ц_ оризонтальным или вертикаль
l'bIM плосkО l J'1J.Vl. .. ..
.. Отпрессованные издеЛI1 :' 'i . .iекаются из стационарных пресс
форм с ПО 10ЩЬЮ выталкивателей (см. рис. 10.9, в), соединенных
252
..
со штоком нижнеrо rидроцилиндра пресса, а из съемных пресс
форм вручную с применением приспособлений.
Для очистки пресс формы обдувают сжатым воздухом с по
мощью пистолета (рис. 10.1 О). Если наплывы пресс материала
струей сжатоrо воздуха не очищаются, то применяют скребки,
изrотовленные из мяrкой стали или латуни.
Стационарные пресс формы не требуют специальной сборки,
в них иноrда после очистки вставляют вставки, арматуру или
ТАБЛИЦА 10.1. Технолоrические режимы прямоrо и литьевоrо
прессования пресс-материалов
Темпера Температура У дельн ое
тура прессования, ос давление, МПа
Марка npeДBa
пресс матер и ал а ритель
Horo Ha бе з n о ' с подо литьевое прямое пресс
rpeBa доrрева rpeBoM прессо n рессо литье
ния, ос вание ван ие
О 1 040 02, 03 0 1 0 02, 130 170 155 + 5 185 + 5 185 + 5 25 35 40 80
О 1 030 02
Э2 330 02 80 100 155 + 5 160 + 5 160 + 1 О 25 35 40 90
Y4 080 02 120 130 150 + 5 175 + 5 25 35 50 80
Bx4 080 34 140 150 160 + 5 175 + 5 30 40 50 80
сп 1 342 02 150 160 155 + 5 185 + 5 160 + 1 О 25 35 60 80
04 010 12 180 + 5 25 35
Сп3 342 02 150 165 + 5 185 + 5 180 + 5 25 35 50 80
Э3 340 65 130 140 155 + 5 180 + 1 О 180 + 1 О 30 40 50 100
Э3 340 61 130 140 175 + 5 185 + 5 40 50
K 114 35 . 165 185 170 + 5 25 35 60 80
B 4 70 150 160 165+5 165 + 5 165 + 5 30 40 50 80
K 123 45 (ОФПМ 296) 185 + 5 25 35 45 55
Э6 014 30 150 160 160 + 1 О 160 + 5 25 35 80 1 00
K214 52 165 + 5 35 75
R v 1 {)Q() 34 150 160 155 + 5 1 р!1т 5 165+ 5 30 50 БG."7.:780
.
Hx5 ()1() 73 rзu Itf 170 + 10 '25 35
Жl o 1 u t>u 150 160 155 + 5 155 =+ 5 155 + 5 25 35 50 100
Ж2 О40 60, Ж2 0 1 0 60 150 160 155 + 5 155 + 5 165 + 5 25 35 50 80
Э9 342 73, Э 1 0 342 63 150 160 16 0+- 5 165 + 5 165 + 5 25 35 50 80
У 1 30 1 07, Y2 30 1 07 150:1= 5 160::!:: 5 160:1= 5 40 45 75 10(}-
Y5 30 1 41 110 120 170 + 5 175 + 5 180 + 5 40 50 75 100
Ф6 337 67 155 + 5 160 + 5 175 + 5 40 50 75 100
Текстолит- крошка 100 110 150 + 5 155 + 5 40 50
КФ 3, кФ зr 110 130 175 + 5 180 + 5 180 + 5 40 50 7 100
Аминопласт 90 100 155 + 5 160::!:: 5 160 + 5 25 35 50 80
'K 78 51, K 77 51 105 + 5 165:1= 5 175 + 5 30 35 50 80
KMK 9 165:1= 5 30 35
KMK 218A, КМК 218Б 100 110 155:1=5 155 + 5 28 32
КМК 218Л 100 110 150:1=5 160 + 5 160:1= 5 30 40 60 11 О
КПЖ 9 100 110 155:1=5 155 + 5 3 40
KMC 9 165 + 5 30
КВЧ 9 120 125 145:1= 5 25 35
КФ 10 150 145 + 5 150 + 5 30 50 70
ПК 9А, ПК 9Б 140::с 5 45 55
Ar 4B, Ar 4C 120 130 145 + 5 145:1= 5 1'50+ 5 30 40 70 120
ВПМ 1 160 + 10 170:1= 10 "J10+ .n. 1 () t;() . . 7.h, ()
J.\J
ВПМ 3, ВПМ 3П 160 185 + 1 О 190:1:: 1 О 30 40 1 oo 12U
253
1
6
Рис. 10.10. Пистолет для очистки пресс-формы сжатым воздухом:
1 наконеЧНИI<; 2 трубка; 3 l1ружина; 4 клапан; 5 корпус клапана; 6......
ручка клапана; 7 штуцер.
вкладыши. Съемные пресс формы собирают на рабочем столе
с использованием rидроразъемника. Технолоrический режим прес
сования (температуру предварительноrо наrрева ия, удельное
давление, температуру пресс-формы) выбирают в соответствии
с данными табл. 10.1 и уточняют для отдельных партий и изделий
экспериментально.
10.2.5. Особенности преССQвания в пресс-формах
u
различнои конструкции .
"-
Компрессионное прессование проводится в пресс формах ОТ-
KpbIToro, полузакрытоrо и закрытоrо типа. ,
Оmк,рытьее nресс формы (рис. 10.11, а) применяют для изrото
вления' изделий коробчатоrо типа несложной конфиrурации.
Так как торец изделия совпадает с плоскостью разъема, в пресс
формах невозможно создать высокое давление вследствие вытека-
ния 'избытка материала по плоскости разъема. Пуансон крепится
к верхней подвижной плите пресса. При поднятом пуансоне 1
в оформляющую полость матрицы 3 заrружается пресс материал
и пуансон ' опускается, происходит оформление изделия и BЫ
держка при отверждении. ,N\атрица закреплена на нижней не-
..
а
6
8
1
1
, . .
Р;'iё. 10.11.' Открытые (а). полузакрытые (6) и закрытые (8) пресс Формьt для КОМПре(1I
tИОНliоrо прессования: .
J пуансон; 2 ИЗДелие; 3 маТРИI;tа; 4 выталкиватель.
,
254
подвижной плите пресса, поэто у при подъеме 'пуансона ВО время
подпрессовок и размыкания она остается на месте. После оконча
,1lИЯ выдержки под давлением пуансон поднимается и изделие BЫ
!L алкивается выталкивателем 4, соединенным со' штоком нижнеrо
rидроцилиндра. /
В . полузакрытых nреСС фОрАtах (рис. 10.11, 6) площадь заrру
зочной камеры есколы{o .больше, чем площадь изделия в' пло
скости разъема, поэтому пуансон при смыкании упирается на
отжимную кромку. Избыток пресс материала выдавливается в за
rрузочную камеру, а так как пуансон плотно прижимается к OT
жимной кромке матрицы, то в оформляющей полости сохраняется
давление, облой получается тонким, и размеры изделия по высоте
изменяются в узких пределах. Облоем называют тонкие заусенцы
на деталях, образующиеся в плоскостях разъема пресс формы
вследствие вытекания пресс материала.
В закрытых nресс формах размеры пуансона соответствуют
размерам и конфиrурации издел я в плоскости разъема, поэтому
опускание пуапсона оrраничивается самим пресс материалом, Т. е.
он воспринимает все усилие прессования (рис. 10.11, 8). При
преССО"В,ании в закрытых пресс формах высота изделия зависит от
навески пресс материала. Если навеска больше н.ормы, увеличи
вается высота изделия. Применяется прессование в закрытых
прес формах в основном для изrотовления изделий, имеющих
правильную rеометрическую фо.!)му в плоскости разъема и не Tpe
бующих высокой точности раЗМt::DОВ по высоте (ВТУЛОI<, - коробок
и т. д.). Изделия, имеющие в ПЛОLКОСТИ разъема сложную форму
(эллипс, треуrольник и т. д.) или алые rабариты, изrотавли
ваются, как правило, В' полузаКРЫТЬ '1.Ресс формах.
В зависимости от вида прессования изменне1'СЯ форма и напра
вление облоя на изделиях. Так, при прессовании ); It/ узакрытых
пресс формах облой расположен в плоскости разъем'&, --Т е. на
боковой поверхности изделия. Изделия, изrотовленные в закры1'Ы{{
пресс формах, имеют облай на торцовой поверхности. Удаление
облоя проводится на специальных arperaTax. При' выборе метода
формования заранее предусматривают способ удаления облоя.
В зависимости ОТ вида пресс формы меняется усилие прессова
ния Рпр. Усилие прессовайия ,в закрытых пресс формах можно
рассчитать по уравнению:
Рпр == рудF издn
. (10.4)
rде Руд удельное давление; F изд площадь изделия в плоскости разъема;
n число rнезд в пресс форме.
)
При прессовании в полузакрытых пресс формах расчет усилия
прессования проводится по уравнению:
Рпр == рудF зит
(10.5)
rде F ЗR ПЛОlцадь заrрузочной камеры; т число эа flУЗОЧНЫХ камер-
255
В зависимости от необходимоrо усилия прессования, yдe \
Horo давления и технических характеристик пресса рассчит'(
вается манометрическое давление РМ в rидросистеме пресса:
Рм == РrРпр/N т (10.6,
rде Pr максимальное Давление в rидросистеме пресса; N т номинальное
усилие пресса; Рпр усилие прессования.
Преимуществом компрессионноrо прессования является ero
простота. К недостаткам следует отнести длительность процесса
lотверждения и возможность коробления изделий, имеющих боль
шую разнотолщинность стенок. Компрессионное прессование не
может быть применено при изrотовлении изделий с тонкой про.
ходной арматурой, так как в момент смыкания' формы может
произойти ее изrиб и изделия получатся бракованными.
10.3. ЛИТЬЕВОЕ ПРЕССОВАНИЕ
JIитьевое прессование 9тлич rся 'от компрессионноrо eM, ч то
пресс-материа заrружается в специальную заrрузочную камеру,
из КОТОР9. Й . , . 9Ф9Р,МЛ I9Щ-УЮ._ пол с по тупает \ QОД да-Вo!lеI:Iием
через литниковые каналы._ В отличие от компрессионноrо прессо
вания заrрузка материала проводится после смыкания плит
Р СС-Ф9Р .Ь -,. т. е. в закрытую оформляющую полость. При литье
вом прессовании также I УТС Еуе операция подпрессовки.
Предварительно подоrретый.. материал в виде таолеток, по.
рошка или волокна помещаеТ 11 в наrретую заrрузочную камеру,
rде дополнительно наrреВqется и под действием давления, созда
BaeMoro штоком, выдаI}лив'ается в оформляющую полость наrретой
пресс .формы. Блаrодаря тому, что пресс-материал течет через
HarpeTbIe т:!ltrниковые каналы, и вследствие выделения теплоты
от B .' {6ro течения температура пресс материала повышается.
п и наличии скорости сдвиrа в литниковых каналах материал
тщательно перемешивается и становится более paBHOr.1epHO про
rpeTbIM.. При поступлении HarpeToro материала в оформляющую
полость, rде давление равно атмосферному, происходит интенсив
ное выделение паров - воды и леrколетучих соединений, которые
удаляются из формы через воздушные каналы или зазоры в пло
скос.тях разъема'. После заполнения формующей полости пресс.
формы материал затекает в воздушные !(ана.ЛЫ, а так как они
имеют небольшую rлубину, материал в них быстро- отверждается
и они перекрываются. В результате создается замкнутый объем
и давление в форме повышаетс до значения, необходимоrо для
уплотнения..пресс материала (25 30 МПа при удельном давлении
в заrрузочной камере 80 120 МПа).
, Обычно температуру пресс формы при литьевом прессовании
выбирают несколько выше, чем' при компрессионном., Это 'необ
ходимо для уменьшения вязкости' расплава и облеrчения запол
нения преСС фОр1\ Ы материалом (см.' табл. 10.1). Более высока}!
темпеР:1тура прес формы u равномеРН,ое наrревание ускоряют
256
/
ис. 10.12. Съемная пресс-форма ДJlЯ Jlитье
.oro прессования С верхней заrрузоqной ка
(ерой: '
r нижняя плит ; 2 матрица; 3 воздуш
lые каналы; 4 изделие; 5 верхняя плита;
j заrрузочная камера; 7 шток; о
Ipecc ocTaToK; 9 лИТНИковые каналы.
4
.3
2
процесс отверждения, поэтому"
выдержка под давлением COKpa
дается на 30 40 % по cpaBHe
fIИЮ с компрессионным прессова
fIием. Вследствие более полноrо удаления воды и леrколетучих
оединений уменьшается пористость изделий и качество их по
зышается. При литьевом прессовании точнее соБJIюдаются раЗ 1еры
зделий. Это обусловлено тем, что заполнение формующей полости
[]ресс материалом осуществляется после смыкания пресс-формы,
оэтому об азуется тонкий облой (ДО 0,1 мм).
ТеХ.lIол6rический процесс литьевоrо прессования состоит из
rаких )ке операций, что и компрессионное прессование, за исклю
qением операции подпрессовки, однако последовательность их
нескольио меняется в зависимости от конструкции пресс формь
При изrотовлении изделий в литьеБ IХ пресс формах с BepXHeI(l
заrрузочной амерой (рис. 10.12), процесс прессования осуще
ствляется следующим образом.
Пресс форму собирают на рабоче 1 столе, устанавливают на
ПII'lИТУ пресса, а затем заrружают материал в заrрузочную камеру
6, I} которую вставляют шток 7. При опускании верхней плиты 5
пре са в заrрузочной камере штоком создается даВJlение, под
действием KOToporo пресс-материал через литниковые каналы 9
затекает в оформляющую полость матрицы 2; происходит формова
ние изделия. После отверждения пресс материала верхняя плита
пресса поднимается. Пресс форму с .пресса снимают и разбирают
с помощью разъемников на рабочем столе прессовщика. I--!зделия
извлеКаЮТ одновременно с разборкой пресс формы или выталки
вают вручную. Шток из заrрузочной камеры выпрессовывается
специальным стержнем, после чеrо проводят оч.истку пресс формы
!' заrРУЗ0ЧНОЙ камеры от пресс остатка 8, т. е. от избытка пресс
МC:iтериала, оставшеrося в заrрузочной камере. Прессование в по
добных съемных преСС фОр 1ах очень трудоемкий и ма.попроиз-
водительный процесс, так как в период разборки и сборки ПРеСС/
:рормы пресс не заrружен.
При крупносерийном производстве литьевое прессование
обычно проводят в спеЦI, ЛЬНЫХ полу стационарных литьевых
блоках со съеМНЫ 1 пакетом пресс-формы (рис. 10.13\. При BЫHY
,{ ыx скобах б собранный пакет пресс-формьi,\состоящчй из плит 4,
и матрицы 5, вставляют в пазы захватов 3. При опускании
_iОРШНЯ нижнеrо rидроцилиндра пресса размыкаIощая плита
блока 2, соединенная с подви)кной TpaBepcoii 7, движется вниз,
при этом заrрузvчная камера 9 прижимается к ЛЕТНИКОВОЙ плите
. В заrрузочную камеру 9 помещают подоrретыrI пресс материаJI,
9 Бортников В. r. 25i
'\
р пр t
Рис. 10.13. ПОJlустационарный литьевой БJlОК со съемным пакетом пресс формы
в разомкнуТом состоянии:
1 опорная плита; 2 размыкающая плита; 3 захваты; 4 нижняя плита пресс-
формы; 5 матрица; 6 скобы; 7 подвижная траверса; 8 верхняя плита пресс
.формы; 9 эаrрузочная камера; 10 шток.
Рис. 10.14. Литьевая стационарная преСС фОРl\lа с нижнеА заrрузочной камерой:
J шток; 2 заrрузочная камера; 3, 5 плиты пресс-формы; 4 изделие; 6 пресс
.остаток; 7 литннки; 8 в здушные каналы; 9 'выталкиватель; 10 стержень
'Толкателя.
е
опускается верхняя плита пресса с закрепленным штоком 10,
и происходит прессов ние изделия. После выдержки под давле
нием в.пазы траверсы 7 вставляют две скобы 6. При подъеме плиты
пресса шток 10 .извлекается из заrРУЗ0ЧНОЙ камеры 9. Затем
поршнем нижнеrо rидроцилиндра поднимается плита 2, скобами 6
пакет пресс-формы размыкается и в разобранном виде плиты
извлекаются из блока. Очистка и сборка пакета fIресс формы
проводится на рабочем месте. При прессовании в таких пресс-
формах разборка пакета и извлечение штока из заrрузочной Ka
меры совершаются прессом, поэтому цикл прессования COKpa
щается.
При литьевом прессовании в пресс формах с верхней эаrрузоч-
ной камерой (Cl\1. рис. 10.12 и 10.13) усилие прессования РПр
должно быть равно:
. Рпр == рудF 3}{ (10.7)
rде Руд удельное давление; 'F 3K площадь заrрузочной камеры.
'В пресс-формах с верхней заrрузочной камерой усилие прессо
вания является одновременно усилием смыкания пресс формы.
Для Toro чтобы не произошло ее раскрытия по плоскости разъема
от давления материала, площ дь заrрузочной камеры F з }{ дgлжна
быть БОЛQше площади изд лий и литников; F з }{ можно определить
по уравнению: .
F ЗR == (Fиздn + F л).1 ,25 (10.8)
rде F изд площ дь изделия в цлоскости разъ ма; n rнездность пр сс фор ы;
F л площадь литников в плоскости разъема.
При прессовании в пресс формах с нижней заrрузочной камерой
(рис. 10.14) мат{\риал заrружается в заrрузочную камеру 2, при
этом верхняя плита 5 пресс-ф рмы находится в поднятом COCTO
258
ЯНИИ. Вследствие опускания подвижной плиты пресса пресс
форма смыкается, а затем при движении штока 1, соединенноrо
с нижним rидроцилиндром, материал выдавливается через лит
НИКи 7 в оформляющую полость и происходит формование изде
лия 4."'Воздух и пары воды удаляются из формы через оздушные
каналы 8. После выдержки под давлением плита 5 поднимается,
а при движении поршня нижнеrо rидроцилиндра вверх шток 1
выталкивает пресс остаток 6 из заrрузочной камеры. OДHOBpe
менно с этим стержень толкателя 10 упирается в выталкиватель 9
и происходит извлечение изделия. Пресс форма обдувается струей
сжатоrо воздуха, очищается от остатка пресс-материала, шток
опускается вниз, и происходит следующий цикл прессования.
Применение литьевых пресс форм с нижней заrрузочной каме-
рой позволяет максимально механизировать процесс прессования
или полностью ero автоматизировать. Единственным недостатком
является то, что пресс формы с нижней заrрузочной камерой
трудно применить для изrотовления армированных и елий,
так как арматуру нужно устанавливать в раскрытой пресс форме
непосредственно на прессе, а. при смыкании пресс формы может
произойти смещение и поломка арматуры. Армированные изде
лия, как правило, изrотовляют в съемных пресс формах (см.
рис. 10.12) или в полустационарных, блоках (см. рис. 10.13), при
этом иноrда на одном прессе работают одновременно на двух
пресс формах. Пока происходит выдержка под давлением, раз
бирают и подrотавливают к прессованию вторую пресс форму,
поэтому пресс все время находится в работе.
При литьевом прессовании в пресс формах с нижней заrрузоч
ной камерой усилие прессования Рпр создается rидроцилиндром
выталкивателя пресса и должно QbITb равно:
Рпр == pyдFтc- {i .9)
Усилие смыкания Рем, исключающее раскры ие ср<?рмы от дa
вления расплава, создается верхним rидроцилиндром и должно
быть равно:
Рем == Руд (Fи дn + F л + F зн ).1 ,25 :10.10)
Литьевое прессование имеет целый ряд преимуществ перед
компр.ессионным. Ускор.яется процесс отвеРЖД НИ5J, так как
в оформляющую полость материал поступает равномерно Harpe
тым до высокой температуры, полнее удаляются паРрI ItO)lbI и
л rколетучие соеДI1.tl.ения, поэтому качество изделцй -по ышаетс .
ьлаrо аря 90ЛЕ;е равномерному наrреванию пресс материала YMeHЬ
шается коробление, так как отверждение в различных слоях из
делий протекает с одинаковой скоростью и остаточные напряже
ния снижаются, поэтому можно получать изделия'с большой раз
нотолщинностью стенок. К HeДO CTaTKaM. литьевоrо прессования
следует отнести необходимость более BbIcoKoro удельноrо давления
и услqш"е.ние коц'струкции пресс фор . Уве-!lичивается расход
пресс .:r .Р_!lал , поскольку часть ero отверждается в литниковых
каналах и заrрузочной камере. Применяетсц литьевое прессова
9* 259
иие при изrотовлении изделий сложной конфиrурации, имеющих
тонкую проходную арматуру или сквозные отверстия небольшоrо
диаметра.
10.4. ПРЕССОВАНИЕ, ИЗДЕЛИЙ НА ЛИНИЯХ НЕПРЕРывноrо
ПРЕССОВАНИЯ
При изrотовлении толстостенных изделий время выдержки
увеличивается и достиrает в некоторых случаях 10 20 мин.
Поскольку выдержка при отверждении может осуществляться
при удельном давлении 7 8 МПа, то rидравлическая система
(rидронасосы) практически работает в это время бесполезно, YBe
личивая износ пресса и расход электроэнерrии. Во время раз
борки и сборки пресс формы или при установке арматуры пресс
простаивает. Все это приводит к тому, что коэффициент исполь
зования машинноrо времени при изrотовлении изделий на rидро-
прессах составляет 0,2 0,3.
Для Toro чтобы ликвидировать эти недостатки, в последнее
время широко внедряются автоматические линии прессования.
Процесс прессования основан на использовании выносных прЕ!сс
форм с замковыми зажимами. Автоматические линии MorYT по
конструкции быть роторными или конвейерными. Конвейерная
линия показана на рис. 10.15. Блоки прессования перемещаются
по конвейеру, rде выполняются последовательно все технолоrи
ческие операции, при этом пресс форма под силовым прессом Ha
ходится только В течение времени, необходимоrо для формования
изделия. Выдержка при отверждении, раскрытие формы, удаление
изделий и заrрузка материала осуществляются на конвейере.
Температура пресс форм при движении 'их по конвейерной линии
поддерживается автоматически, а необходимое удельное давление
создается за счет усилия тарельчатых пружин.
5
ж
. Рп . i .1 . оiiе р а Ц ИОН..1f Я схема прессования на ,автоматической конвеАерноА JlИНИИ
а выдержка при отверЖДенНИ; б раскрытие пресс-формы; в извлечение ИЗДелия;
2 ОЧИСТI<а пресс-формы; д установка арматуры; е заrрузка пресс-материала
:JЮ смыкание фор ы и формование изделия.
260
Конструкция блока для компрессионноrо прессования пока
зана на рис. 10.16. Блок состоит из верхней плиты 1, на которой
закреплены тарельчатые пружины 2 и подвижная плита 5. К по
движной плите 5 крепится пуансон 6. В нижней плите 10 YCTaHO
влена матрица и закреплены выталкиватели 7. В сомкнутом co
стоянии пресс форма удерживается захватами 3, которые при
раскрытии опираются на упоры 4 и удерживают плиты 1 и 5
в поднятом состоянии. После заrрузки пресс материала с помощью
силовоrо устройства происходит смыкание пресс формы и соз
дается необходимое удельное давление прессования. Захваты 3
под действием пр ужин 9 закрывают форму, а после Toro, как блок
перейдет на конвейерную линию, давление в формующей полости
поддерживается тарельчатыми пружинами 2. Для Toro чтобы
раскрыть пресс форму, на плиту 1 давит пресс, отбрасывает за
хваты 3 в сторону, и верхняя плита 1 поднимается вверх. Bы
\rалкивающий шток воздействует на плиту толкателей 11, и толка
тели 7 извлекают изделия из матрицы.
При литьевом прессовании в съемных пресс формах приме
няют блок с нижним расположением тарельчатых пружин
(рис. 10.17)., После сборки на рабочем месте пресс форму вместе
а заrрузочной камерой устанавливают на фиксаторы 3, заrружают
п есс материал и вставляют в камеру шток (см. рис. 10.12). Блок
П следовате;льно перемещается по конвейеру. Вначале он YCTa
н вливается под силовое устройство, ....rде происходит смыкание
п есс формы и формование изделия, а затем пресс форма захва
та IИ 4 удерживается в закрытом состоянии и движется по конвей
ерной линии; происходит отверждение изделия. Усилие при
отверждении создается с помощью тарельчатых пр ужин 5, число
KO OpЫX должно обеспечить давление смыкания 7 8 МПа. После
выдержки и отверждения материала происходит размыкание
блока, захваты 4 отводятся в стороны и пресс форма вынимается.
Pat,ъeM пресс-формы, очистка ее и извлечение изделий проводятся
на рабочем столе.
При прессовании изделий в стационарной литьевой пресс
форме 'с нижней заrруз.очной камерой применяется конструкция
блока, показанная на рис. 10.18. Пресс форма состоит из плит 7,
закрепленных на плите блока 6 и основании блока 10. В paCKpЫT<'; .
положении верхняя часть блока удерживается на захватах 9
и дополнительно фиксируется защелкой 3, которая в раскрытом
положении пресс формы западает в паз А колонки 2. После no
мещения материала в заrрузочную камеру 8 защелка 3 выводится
из паза специальным упором, закрепленным на ползуне пресса,
упоры 5, сжимая пр ужину 11, разводят боковые захваты 9 и Bepx
няя подвижная часть блока опускается до тех пор, пока пружин
ные демпферы 1 не уравновесят блок. После. заrр'узки пресс
материала и закрытия пресс формы изделия прессуются штоком
нижнеrо цилиндра. Тарельчатые пр ужины 4 после закрытия блока
боковыми захватами 9 создают усилие, необходимое для OTBep
ждения изделий. Блок к столу крепится Д13умя колонками 12.
261
Il')
с:;:
:Е :i
Q o.tQ
IQ О
f-o C::S::
U :(
1 с:;:
Q tQ
С. f-o
f-o :а
:Е :a
." f-o:s::
0'1 tQ с:;:
с
I
I
CI')
CJ c'w:) ...
tQ
..f-o
а: tQ:S::
==t;:
= = С:
=
«:)
U 0.=
С:
С. a::S::
с tQ =
I
f
«:) .а t:)
= ....
= 0....
«:)tQtQ
=f-o:=
I :S::
g.
:Е g.
«:) ...
:11: I
С:
D:
. f-o
се = tQ
Х
о 0.><
си tQ
C')
U I .а
= u
С. о
00
,.Q
с:;:
си
...
tQ
са
:s:
::(
с:;:
tQ.
f-o
:а
t'....
=
о
u
=
tQ
С
tQ
f-o
:s:
с:;:
t::
D:
tQ
:z:
:S::
1::{
о
t::
:а
)!
о.
О.
-&
.
u
u
CU
о-
.с
о.
.. о
>< f-o
tQ
:Е U
с.:(
Q :S:
0&-&
/.; 1
U
8,С":)
с
><
:! :S::
= t;:
:1 t:
Ф а:
rD tQ
U =
:S::
t::(
о
t:
1
IQ
D:
=
=
IQ
Q
u
со
t::
а:
а:{
:IIIS
«:)
е;
о
f-o
tQ
=
Х
tQ
('1)
tQ
:z:
· :S::
Q
Р. .
t:ca
f-o
U =
= t;
с....с:
D:
=
:S:
=
:2!
f.
D:.
r::
t;
......
r-...
f-o
с:;:
о
'о
«s
О
О
Е-о
:S:
с:;: .
с:а
f.
13
CI.)
... :а
:25=
0.*
Оси
С:с::
cи
I
\t)J
...
:
=: .
as
=
о.а:.
t:
'i
D:Q.
ast:
!
D"
,.Q
r::
cu
c.;
foo
I
CI.)
.. :=
(0=
::(('\S
r::=
сио
Ef:a
са С,)
с.У)О
= J J
= о) t:)
CIS
IQ ...
«:) as.
u :.:::а
U:Z:foo
ф О (u
c.t;:
t: ОХ
«:) :.:: (u
; I
g
t-e Q
= а:...
8; t; (u
=0.
а: са си
0.:2
t::( t:: (U'
as::'::
Q ==
I о:.
\о
;::s: ъ
:! ...('1)
= o.
.а си о.
S -&
u ;:
Cocu J
i 1::(
=-=00
='I.:a
:z:.
:z::i5-
'g()=
,... о.
i.. O
о o.r&-,
,... t: и
u I g
= -Q.
c. c::
:а
=
:S::
о.
с
си
:а
f-o
(о
,.Q
с:;:
си
о.
(о
f-o
I
\t)
:а
foo
(о
=
><
(о
('1)
Для уменьшения потерь теплоты плита 10 установлена на тепло-
изоляционной прокладке. Технолоrические операции прессования
и их последовательность описаны в разделе 10.3 (СМ.
рис. 10.14).
Линии непрерывноrо прессования позволяют максимально
повысить коэффициент использования машинноrо времени rидра-
влических прессов и сократить производственные площади. При
меняются они при изrотовлении изделий с большоЙ толщиной
стенок, требующих значительной выдержки при отверждении,
а также изделий, насыщенных арматурой. В последнем случае
имеется одна свободная пресс-форма, сборка которой проводится
вне конвейера, коrда происходит,прессование на друrих пресс
формах; технолоrические операции осуществляются на съемных
пресс формах с использованием блока (см. рис. 10.17).
10.5. РАСЧЕТI ТЕхнолоrИЧЕСКИХ, ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕ€CА
ПРЕССОВАНИЯ
Основными технолоrическими параметрами компрессионноrо
и л,итьевоrо прессования являются температура и время предва
рительноrо наrревания, температура прессования, время BЫ
держки при отверждении и удельное давление. Технолоrические
пара 1етры выбирают по справочным данным или рассчитывают
с учетом исходных свойств пресс материалов, rеометрии изделий,
а также технолоrических особенностей методов прессования и KOH
струкции формы.
19.5.1. Температура предваритеЛЬноrо наrревания
Температуру наrревания пресс-материала определяют, исходя
из времени пребывания ero в вязкотекучем состоянии t BT ; ЭТО
время должно быть больше, чем время, затрачиваемсе на заrрузку
матер ала в пресс форму t з и смыкание пресс формы:
t BT Н 1 /О 1 + Н 2 /О2 + t з (10.11)
rде Н 1 и Н 2 высота спускания пуансона при холостом и рабочем ходе пресса;
V, и V2 скорость опускания плиты пресса при: ,холостом и рабочем ходе.
В случае использования пресс-q:орм с верхней заrрузочной
камерой значения Н 2 и V 2 берут для BepxHero цилиндра rидро-
пресса, а для пресс форм с нижней заrрузо, НОЙ камерой для
цилиндра выталкивателя.
Используя уравнение (10.1) инеравенство (10.11), рассчиты-
вают температуру предварительноrо наrревания тв:
ТВ и /R [In (H 1 /Vl + H 2 /V2 + t з ) In А] (10.12)
Значения коэффициента А и энерrии активации поликонден
сации и для некоторых марок пресс материалов приведены ниже:
Марка пресс- 03-010 02 K 17 2 Ol 040-02 I Э3 3 .О-65 Э2 330 О2
матер иала
А.I0 7 1,77 4,52 1,9
и, кДж/моль 69,5 69,5 69,5
7,4
62,8
1760
47,31
263
Определенное по уравнению (10.12) значение Т н не должно
быть больше максимальноrо значения температуры предваритель
Horo на rревания, указанноrо в табл. 10.1.
При высокочастотном диэлектрическом HarpeBe по значению Т Н
с использованием уравнения (4.9) определяют время наrревания.
10.5.2. Время отверждения при компрессионном
прессовании
Зависимость времени отверждения от температуры пресс..
материала при изотермических условиях описывается уравнением
(10.3). Однако обычно температура заrружаемоrо материала
сильно отличается от температуры пресс формы, поэтому общее
время отверждения изделия в пресс форме t B можно условно раз
делить на время наrревания пресс материала до температуры OT
верждения t H и на время протекания реакции поликонденсации
Be f3T отв :== t OTB :
t B ==:; t H + Ве BT отв (1 ).13)
rде В и постоянные; Т отв температура отверждения изделия в прес с -
форме. '
Подобное же уравнение можно записать для времени OTBep
ждения в пластометре Канавца t п :
t == t + Be BT отв. п
в. п н. и
rде t H . П время наrревания материала в пластометре до темп ратуры отв ржде
ния Т отв.п,
Если учесть, что отверждение материала происходит при
температуре, близкой к температуре измерительной камеры пла
стометра Т п, то с учетом изменения ее от теплоты реакции поли
конденсации можно принять:
т отв. п == т п + Qp/2c p
rде Qp теплота реакции поликондеltсации (32 48 кДж/кI:').
ТАБЛИЦА 10.2. Значение коэффициентов уравнения (10.16)
(10.14)
(10.15)
Время
отверждения t в. п' с
Марка t H . п' с 13, 1/ 0 С т п' ос
n ресс- материала по rOCT по данным
15882 70 I(анавца при
6 МПа
Ol 040-02 19 0,032 170 130 140
K 17 2 19 0,03 170 90 160
оз о 1 0 02 19 0,03 170 80 130 180
Э 1 340 02 19 0,02 170 160 720
Сп2 342-02 19 0,02 170 150
Сп3 342-02 19 0,02 170 160
Э2 330-02 19 0,025 170 140 340
Аминопласт 10 0,028 140 130 160
K-79 79 100 0,032 140 210
Ar 4 19 0,035 170 125
264
Если принять такие же условия для отверждения изделия,
iоrда температура отверждения изделия будет равна:
т ОТВ === Т Ф + Qp/2c p
Решая совместно уравнения (10.13) и (10.14) с учетом принятых
условий и значения t B . п, найденноrо экспериментально в пласто
метре Канавца, находим время отверждения изделия:
f3 (Т п Т )
t B t и + (t B . п t и . п) е Ф
(10.16)
Значения коэффициентов, используемых в уравцении (10.16),
приведены в табл. 10.2.
Для расчета времени наrревания материала до температуры
,отверждения используем уравнения нестационарной теплопро
водности. Время наrревания определяем по формуле:
t п == б 2 Fo/4a
(10.17)
.
rде Fo критерий Фурье; а темпераТУРОПРОБОДНОСТЬ; б максимальная
толщина изделия.
При изrотовлении изделий сложной конфиrурации точность
расчета зависит от правильности определения наиболее утолщен
Horo элемента изделия. Например, для изделия, показанноrо на
рис. 4.19, а, коrда а > Ь за расчетное значение толщины берут
размер Ь, а для изделия, изображенноrо на рис. 10.19, б, коrда
Ь > с и а < с, в качестве максимальной толщины принимают
размер с. Для к<?робчатых изделий за расчетную толщину при
нимают наибольший размер одной из боковых стенок (например,
размер Ь на рис. 10.19, 8) или толщину днища, если она больше,
чем размер Ь. Таким образом, в качестве расчетноrо значения
толщины выбирают наиболее утолщенную часть элемента изделия,
через которую преимущественно происходит наrревание от двух
теплопередающих повер.хностей. Если изделие имеет форму по
лоrо цилиндра, то расчет ведут как для пластины, толщина KOTO
рой б == R 2 R 1 . Также поступают при изrотовлении армиро
ванных изделий, rде за расчетную толщину принимают слой Maтe
риала до арматуры. Если арматура имеет большие размеры, то
перед установкой в пресс форму ее следует подоrревать до тeM
пературы формы Т Ф.
б
б
0:::0
о=с
о=Ь
Рис. t 0.19. Определение расчетной ТОJlЩИН ы стеНI(И издеJlИЯ.
265
,
O
и,8
0,6
O,!f
8,2
0,08
0,0'1
0,02
0,01 О 2 0,'1 0,6 0,8 1,0
Рис. 10.20. Зависимость критерия Фурье Fo от
относительной температуры в == (Т Ф ТМ)/(Т ф
Та) для различных изделий:
1 пластина; 2 брусок; 3 цилиндр с 1 "> d;
4 куб; 5 цилиндр с l d; 6 шар.
Критерий Фурье является Функ--
цией' относительной температуры и.
зависит от формы изделия (пластина,
цилиндр или шар):
.
Fo .:::: q> (8)
8== (Тф Тм)/(Тф Тз)
rде Т з темп ература заrружаемоrо пресс--
1.,5 .J Fo материала с учетом предварительноrо на--
rревания; Т м температура, дО KOTO
рой наrреваются nep д началом отверждения центральные слои изделия:
т м == Тф Qp/2c p
(10.18).
Расчет времени наrревания проводят в та ой последователь
ности. Находят теплоту реакции отверждения, по спраВОЧНЫ 1
данным или из табл. 10.1 выбирают температуру пресс формы
и температуру предварительноrо наrревания пресс материала.
Рассчитывают Т м и относительную температуру 8, после этоrо
по rрафику рис. 10.20 находят критерий Фурье. По табл. 10.2
определяют коэффициенты, а затем по уравнениям (10.16) и (10.17)
рассчитывают время отверждения изделия.
Необходимо отметить, что данная методика расчета требует
экспериментальноrо уточнения времени отверждения пере
рабатываемой марки пресс материала ,на пластометре
(см. rOCT 15882 70), поскольку данные различных авторов по
значению t B . п сильно различаются (см. табл. 10.2).
В тех случаях, коrда перед прессованием материал Harpe
вается до температуры, близкой к температуре отверждения
Тз т ф 15 ОС, расчет времени наrревания t и не проводят.
10.5.3. Время отв рждения при литьевом прессовании
При литьевом прессовании материал заrружается в о дельную
заrрузочную камеру и, пока происходит смыкание пресса, He
сколько наrревается. При течении через литники материал также
соприкасается с rорячими стенками формы, кроме Toro темпера
тура повышается вследствие диссипации энерrии вязкоrо течения.
Если пренебречь наrреванием материала от литниковых каналов,
то повыше ие температуры от диссипации энерrии вязК,оrо течения
составит I1Т == "2l1р/с р р, а температуру материала после запол
нения формующей полости соответственно находят из уравнения:
B == Тз + plcpp "'1"\J 'Лiс f pG.,( i1.A !I'1. (10.19)
rде p суммарный перепад давления в JIИТНИКОВЫХ каналах пресс-
формы.
266
Перепад давления в литниковой системе рассчитывают следу
ЮЩИМ образом. Находят объемный расход расплава V через лит
никовую систему. Так как материал выдавливается из заrрузоч-
ной камеры штоком, то:
V == F ЗНV2
(10.20)
rде F зн ПЛощадь заrрузочной камеры; V2 скорость опускания плиты пресса
при рабочем ходе.
При расчете V для пресс форм с нижней заrрузочной камерой
вместо V 2 подставляют C OpOCTЬ подъема поршня rидроцилиндра
выталкивателя пресса.
Литниковую систему разбиваем на участки' с постоянной
rеометрией (рис. 10.21) и находим размеры к налов. При расчете
перепада давления для конкретной пресс формы размеры литни
ковых каналов берут из чертежа, для проектируемой пресс
формы определяют по rрафической зависимости (рис. 10.22).
За навеску материала принимают массу полимера, проходящую
через. данный участок литниковой системы. Например, при ис
пользовании двухrнездовой пресс формы для участка 11
(рис. 10.21) навеска материала равна массе изделия ОМ == ОИ3д'
для. участка 1 ОМ == 20 изд . Таким образом, навеску материала
можно рассчитать по уравнению:
ОМ == Gиздn/С
rде n rнездность пресс формы; с ---- ЧИСЛ9 параллельных литников на данном
участке.
При определении размеров литников кривая 1 (рис. 10.22)
используется для распределительных литников (например, .уча
стки / и // на рис. 10.21), а прямая 2 для впускных. ДЛЯ KO
'нических литников по рис. 10.22 определяют наименьший радиус,
а затем по конусности и длине литника рассчитывают второй
радиус R'l.. Ширину литника находят с учетом полученной rлу
бины литника: для распределительных литников Ь == 2h, для
впускных (щелевых) Ь == 6h.
1
...
tj
3
Е:
::::s
с=;
2
c"t:)
1
50 100 150
На6еска материала, е
V 2
Рис. 10.21. Схема JlИТНИКОВОЙ системы.
Рис. 10.22. Зависимость размеров JlИТНИКОВЫХ KaHaJlOB от навески пресс"материала..
проходящеrо 'Iерез данный участок:
I .... распреАепительные литники; 2 впускные .пИтники.
267"
Зная, размеры литников
и объемный расход распла
ва, рассчитывают скорость
сдвиrа, а затем по кривой
2 J '+ 5 6, у, c 1 течения для каждоrо участка
находят напряжение сдвиrа и
определяют перепады давле
:ния. Для нахождения напряжения сдвиrа можно использовать
реолоrические rрафики с выделенными областями усредненных
'кривых течения для различных пресс-материалов (рис. 10.23).
Для расчета обычно используют верхнюю и нижнюю rраницы
-области, при этом находят минимальное и максималыfое значе-
ния напряж ния сдвиrа. Расчет можно вести также по среднему
значению напряжения (средняя линия области).
Для расчета скорости и напряжения сдвиrа можно восполь-
.зоваться уравнениями, приведенными в табл. 5.1.
Входовый поправочный коэффициент т учитывается на тех
участках литниковой системы, rде наблюдается резкий переход
'от одноrо сечения канала к друrому или поворот литника под
уrлом примерно 900. Для нашеrо примера (см. рис. 10.21) BXOДO
вый коэффициент учитывается для участков 1 и 11, а для уча
-стк,?в 111 и IV т == о. Значения входовых коэффициентов зави
сят от скорости сдвиrа и вида материала; они приведены на
рис. 10.24. Показатель степени n находят по уравнению (2.23)
из кривой течения для KOHKpeTHoro материала или по средней
.линии области реолоrическоrо 'rрафика (см. рис. 10.23).
Общий перепад давле
ния в литниковой си т
стеме определяют как
сумму перепадов на всех З5
участках одной парал ЗD
1:,мпа
.20
10
8
6
5
!f
'3
2
1101 2 J
Рис. 10.23. Кривые течения TepMO
реак тивн ых npecc ма теРИaJIОВ:
,1 область кривых течения волокни
стых материалов (. ДСВ, 150 ос;
х Ar-4. 150 ОС); 2 область крИ
вых течения для пресс-порошков (О
К-114-35. 170 ОС; О Э2 З30-02,
160 ОС; 6. 1( 214-3. 170 ОС; О
Сп 1-342 02, 170 ОС).
Рис. 1 0.24. Зависимость входово _ 25
ro поправочноrо коэффициента т
. от скорости сдвиrа для термореак - 20
тивн ых материалов:
1 I( 114 35, 170 ОС, d == 2 мм; 15
2 I( 214-2, 170 ос. d == 2 мм; 3
Ar 4, 140 ос. щель Ь == 6 мм, h ==
== 1,5 мм; 4 K 18 2, 170 ос, d === 10
=== 2 мм; 5 I( 18 2цc 37, 170 ОС,
.d == 2 мм; 6 I( 21 22, 140 ОС, d ===
== 2 мм; 7 I(-21 22, 160 ос, d === 5 \...
== 2 мм; 8 I(-21 22, 160 ОС; d ==
== 5 мм; 9 Ar 4, 140 ос, d === 5 мм;
.10 Ar 4, 150 ос. d == 5 мм; 11 0101 2 J 'f 5
дсв, 150 ос, d == 5 ММ.
=:268
J -'t 5 10 3 Y7C !
лельной ветви литниковой системы:
ЕАр == PI + PII + PIII + PIV (10.21)
При правильно- выбранных разме-
рах литниковых каналов суммарный
перепад' давления должен быть
равен: I I1Pi -<= 40 50 МПа.
По найденному значению пере
пада давления рассчитывают темпе
ратуру материала, см. уравнение (10.19). Если температура Т В -
будет HaMHoro меньше температуры отверждения Т в < Т м,
то далее расчет следует ПрОЕОДИТЬ по уравнению (10.16) и (10.17).
За относительную температуру при этом принимают следующую
величину:
Рис. 10.25. Зависимость температуры внутренних
СJlоев пресс-материаJlа от' времени пребывания ero
в форМУlOщей ПОJlОСТИ.
Е> (ТФ Тм)/(Тф ТВ)
Tf{J ..... .....-
tj
t::l.
t:s
cu
с::: т
t1 i1t 2
Время
( 1 0.22),
в том случае, коrда температура'после заполнения пресс формы
высокая (Т в Т м), сразу после заполнения формующей полости
начинается процесс отверждения. Одновременно с этим темпе
ратура внутренних слеев пресс материала будет изменяться во!
времени (рис. 10.25), приближаясь к температуре пресс формы.
При заrрузке материала с ВЫСОI(ОЙ температурой расчет можно
ПРОJ30ДИТЬ как для неизотермическоrо процесса отверждения. Для
вывода уравнения рассмотрим изменение температуры во Bpe
мени и кинетику отверждения материала с изменяющейся TeM
пературой.
Используя уравнение нестационарной теплопроводности для
'пластины (5.119) при сохранении первоrо члена ряда этоrо ypaB
нения, с учетом теплоты реакции отверждения находим изменение
температуры внутренних слоев материала во времени:
n 1
Т Т + Qp К 4 - :rt2at . / б 2
i == ф............. i..l (Т Ф Т в) е l
С р Л
i==1
(10.23)
rде ti текущее значение времени; Ki l ДОЛЯ отверждения npeCC-MaTe
риала за рассматриваемый интервал времени.
Если разбить весь интервал времени на отрезки t == 10+20 с,
можно рассчитать время, необходимое для полноrо отверждения t'g
при постоянной температуре Ti' отдельно для каждоrо отрезка:
(Т П т .)
t в == (t В. п t и . п) е l
(10.24 ).
Тоrда, если рассматривать ступенчатсе изменение темпера
туры, доля отверждения пресс материала K i на каждом отрезке
времени будет равна:
Ki == дt/t п
(10.25).
269-
Полное отверждение материала произоЙдет тоrда, I{ОI'да сумма
долей отверждения составит 'единицу:
i==n i==n
Kj:::::: :Е ( t/tD) :::::: 1 (10.26)
i===l i==l
Подставляя из (10.23) значение темпераТУРIЛ f3 (10.24) 11 liL-
пользуя (10.26), находим:
l==n
liт
дt О
i==l
еР (Т ф+Qр/2ср Т п)
д! =: 1
(t t ) 4Iпf}(Тф.......ТD)ехр( 1f/.аti/(js)
В. п Н. П е
(i ), 7)
Полученное уравнение можно представить в виде ulIрс=д(' l Н-
Horo интеrрала:
' в
А J e H ехр ( CtD) dt == I
о
еВ (Т ф+Qр/2Ср Т п)
rдс А t t ; Н 4 (Т ф т lJ)/Л; С:==. п2a/() .
в. п 11. П
Заменив переменные He ctB == 1:, получаем:
н ехр ( c! в)
J e ' .
н
После повторной замены e 1: == у в ЭТО 1 IIHTcrpa.:IC l1 \H:C.\l:
e H ехр ( Ct о) e Н
J I:YY :.: + J I
H О
(lO. d)
х
d
ОТСlOда, учитывая, что J I/Y == Lix, наХОДIIМ:
о
Li e H ехр ( ct 11) == Lie f1 + С/А
rдс I"lX иlIтсrралыlйй лоrарифм.
По IIзвестному зпачеНИIО Н находим ЗllаЧСIlII l"ie f/, а за re '1
по величине Lie H + С/А == (D, использун НIIТСI"раЛL>IlLli'I :IOl'a-
РIl(РМ для Lie lf ехр ( CtB), находим N : : e ..lI ехр ( Cfll). 3lfая
значеНIIЯ N, С и Н, рассчитываем время ОТ13срfl деIlIlН lIJ.l ЛI1Н 'в:
t o 111 (Н/lП ) (10.29)
Данную задачу можно также реUIИТЬ приближснным МСТUДI) 1.
fЗ уравнении (10.28) подынтеrральное выра)кеНlIе раЗ.lаl"'ае I 13 рнд
11 оrраНlIчиваемся двумя перпымИ слаrаеj\tl)I IН:
' В
J (e H + tНCe H) llt "'" I/A
о
270
По еле интеrрирования имеем:
t B + HCt /2 l/Ae H
},'Iз этоrо уравнения определяем t B .
(10.30)
10.5.4. Удельное давление литьевоrо прессования
Т)tеЛЫlое давление определяется с учетом потерь давления
в Л1fТJllIl<(1Х p 11 давления, которое неоБХОДIIivl0 создать в IO.
i\lellT С lыкаllllЯ пресса непосредственно в формующей полости:
Руд == L\p + Рк (10.31)
rAc Рн удельное давление в форме, равное удельному давлению для компрес-
CIIO!lHOrO прсссопзния, рк == 25+ 50 МПа (см. табл. 10.1).
Расчетные значения t B и Руд требуют" экспериментальноrо
уточнения для каждой партии пресс-материалов. При расчетах
неВОЗ '10/КНО также учесть все конструктивные особенности пресс
форы JI МlIоrообразие изделий, особенно сложной конфиrураЦИII.
10.5.5. liaBecKa пресс"материала
rlaBecI\a пресс-материала, т. е. количество материала, заrру-
il\(H Moro в lIpecc-форму, зависит от вида прессования, текучести
I1реСС !\lаТСрllала и массы изделия. При компрессионном прес-
соваlllJlI в закрытые пресс-формы навеску Он (в r) определяют
по (l)оrыуле:
ан ==- 1,05 (G llзд n + Кl + К 2 ) (10. 2)
r..1C G lI : I ,1. масса IIзделия, r; n rнездность пресс-формы; Kl коэффициент,
учиrЫI3ЗЮIЦllii текучесrh по Рашиrу пресс-материала; К 2 коэффициент, учи-
ТLIВЗЮЩIIЙ колебание массы таблетки, К 2 == gf/2 (здесь g отклонение массы
lt.lбл Т1{Н от 1I0!\lинаJ1ьноrо знаtlения, r; f число заrружаемых таблеток).
НИiке указаны значения g:
Л\асса таблеТКIJ, r 2,0 6,0
g, r О, 1 0,2
ЗllаЧ III1е коэффициента Kl для расчета навески: ,
6, 1 20
0,2 0,3
20 40
0,З Оt4
j\\ас з 11 1ДС.1 11 Н. r I I О 1 0....20 20 ЗО ЗО 50 50 100 1 00 200 200....500 >500
К 1 . 1', 11;'111 те,,}"н.'СТII
110 Ра iII.I :'У
12U 1 O мм 0.2 0.3 0,5 0.7 1. О 2.5 4,0 8,0
)OO - I () .IM 0.1 0,2 0.3 0,5 0,7 1,5 2,5 5. О .
8 О 1 О О м м 0,2 0,3 0.5 0,8 2,0
При прессовании в полузакрытых пресс-формах "Навеска равна
а н == 1,05 (Gllздn + Kl + К2 + рбоF зк ) (10.33)
rД р П..10ТНОСТЬ материала; б о толщина облоя, б о == Ot02 0,03 см; F зк
I1.10и aдь заrрузочной камеры, см 2 .
При литьеВО I прессовании навеску раССЧIlтывают по урав-
Helllllo:
а н == 1,05 (G 11зд fl + Кl + К2 + G л + G п + а о )
(10.34)
271
rде Ол масса пресс-матеrИёJJа в JJИТIfИКОВЫХ К(lIl лах; (111 MCJcca IIРССС-
остатка; 00 масса сблоя.
ОП == рFзиб п ; 00 == рFllздпб о
rде б п толщина слоя npecc-маТСРИ2ла, сстаВШСfОСЯ в 3C11'PY 'K"j I!t,i1 '\Lli,a r\!,
б п == 0,02 см; ба тслu!ина сблон Пf.И JJ11TLCnCM fll'(C('(.)I ;J.illl, СО:'::";:
== 0,01..;-- 0,02 см; F изд плсщадь 113ДСJlIlЯ.
10.6. ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Расс.мотренные ранее споссбы изrстсв.пения изделиЙ l ()i\1Прt;с-
СИОННЫ 1 И литьевым преССGваНlIе 1 требуют предЕарlпtJlыlrоo
таблетирования и подоr.рева пресс материала, что по1!ыll(j(;тT тру-
доемкость и энерrетические затраты на единиuу flPO;lYI\I IHj.
Наиболее проrрессивным CnOCOCOi\1 яrляется ЛВТ1.Е: JI()}t ла13ле-
нием, которсе в последнее' время наIlJЛО lllироксе пр 1II\:(:lIeIII1 дли
переработки реактопластов. Это стало ЕОЗМО)i4 I1ЫМ БJj,JllJJt !РН С()З
данию усовершенствованных КОНС'IРУКUIIЙ ЛИТl.еULlХ Ы(JlJIllli 11
разработке рецептур пресс-материалов, сбладаlClltll х НСL()л(jДll
мыми свойствами.
Технолоrический процесс СОСТОИТ из следуIC ШlIХ Cl!t. p(JIlJlii:
1) ДОЗИJ:ование и наrревание npecc MaTepHaJ1a.; 2) Cl;bJl 1Jl. (}( f1 ,;ы;
3) подвод узла впрыска I{ q:opMe; 4) впрыск ПJ:е('L-!\ аrllРН(JJIа;
5) выдержка под давлением и отвод сопла; б) ВI)Iдt.:Р)I\l\Н li})JI
отверждении; 7) раскрытие фОрМ!>I и извлечение 1i3jtCJIIIH. l OJJllI
ЧI е от л итья под давлен нем 1 ер МОI1ЛCJСТОВ, n "IС LTO () хл;! il':ilt\ 11 11 Н
расплава D q орме ПрОЕОДИТСЯ наrреваllие А а1срнала JJ (J'I'l \,"I!п\ 'le
вие ero за счет протекания ХИМlIчеСI,ОЙ реаI\Н1I1I. I. ('rJ{)!\ (JI'aT{'''ll.liI)le
технолоrические операции, такис как С :Ь!1':(Jllие (1 uрЫl)i, 11()1l!50Д
узла впрыска, раСI<рытие q:OJ1MbI, ничем l;C (JТJll1чаН.Уlt'Н (/1' alla
пОI"ИЧНЫХ операций в процессе литья Ter: :CIlJta(rl(jB, II«-/l'U!\,Y не
требуют отдельноtо описания.
10.6.1. Дозирование и. наrревание материала
Материал из бункера литьевой машины захваТЫ13rt 'ТВ Ii(lрез
кой вращающеrося шнека и движется вдоль иаI'реТUI'О IОIЛilllдра.
По мере перемещения пресс пороIiII{а или rранул материала соз-
дается давление, под действием KOToporo CJII УI1JrОТlIяеr ,сн. I I,.lf-рс
ванне материала происходит за счет теПЛО1Ы, выдеЛЯЮlцеi1сн ОТ
трения, а также вследствие теПЛОПРОВОДlIОСll1 ОТ HarreToli ПОЕ( рХ
ности цилиндра.
При достижении температуры размяrчеНIIЯ ь!атеРНDЛ псрехо
дит в вязкотекучее ссстояние, и послеДУЮlцее паl'реваПllе ero
осуществляется за счет диссипации энерrии вязкоrо течеllll51 11
теплопроводности. Для описания закономерностеi"i дви}кеНIIЯ
материала МОжно воспользоваться уравнеНIIЯМН, Прlfl3сдеН IЫМII
в разделах 5.1 и 6.1. В уравнения вместо TCIIJ10IbI 1JJlаплеНIfЯ
подставляется теплота реакцни ОТЕСРЖ)1еIIИН, J]РGтеЕаlСIl ('Й с вы-
делениеl\1 тепло'IЫ. ЧТGбы пrедотвратить III"t')I\ДСВ[ir :СIlII(; 01'Ееrж
272
J Т. ос
28
Т ос
2ч ,
20 . 1*0
16 120
'12 100 90 180
2 " 6 8. 10 Р п ).МПа
Рис. 10.20. ЗаОllСllМОСТЬ изменения разницы температур материала и ЦИЛlIндра 4. 'J8 ОТ
ДЗИЛСIШЯ водпора РП при различной частоте вращеllИЯ шнека.
Рис. 1 0.27. Зависимость температуры от времени пребываllllЯ материала в ЦИЛИllдре
ма ШIIII t.1 I1рll раЗЛIIЧНОЙ частоте вращения шнека.
деllllе пресс материала, температуру цилиндра, частоту вращения
U1Hel{a, а также давление подпора на шнек подбирают с таким
условием, чтобы температура материала не превышала на вы-
ходе НЗ цилиндра 80 100 ос. Влияние частоты вращ ния шнека
1I Д3DлеНIIЯ подпора на разность температур материала и цилиндра
показано на рис. 10.26. Как видно из рисунка, чем выше давление
подпора 11 частота вращения шнека, Te I больше эта разность.
11arpCTbIii материал перемещается по каналам шнека и посту
IJaeT в полость цилиндра. Если доза набранноrо материала больше
объема BIIp ICKat то часТь материала остается после впрыска
в цилиндре п температура ero за счет теплоты реакции повышается
(рис. 10.27). При ЭТО f, чем выше была исходная температура..
Te 1 больше разоrреnается материал. ЧТобы исключить чрезмер
ное Наrревание и преждевременное отверждение материала, дo
зирование следует проводить в соответствии с объемом впрыска.
ДОЗlIрование задается перемещением шнека вдоль цилиндра.
Практически при литье под давлением реактопластов осевое пере
мещение (отвод) шнека не должно превышать ДBYX Tpex диаметров
шнека. В технолоrическом цикле не следует также допускать
длительных пауз между окончанием дозирования и операцией
впрыска материала в форму.
10.6.2. Впрыск материала
БПрЫСI<: осуществляется аналоrично этой операции при литье
тер tопластов, но проводится он при более "высокой вязкости,
в связи с чем возникают большие перепады давлений в каналах
СОIlла 11 формы. При течении материала через отверстия сопла
и итниковые каналы температура дополнительно повышается
'на 15 20 ос преимущественно вследствие диссипации энерrии
в зкоrо течения [C 1. уравнение (7.5)]. В начале впрыска давление
I?степенно увеличивае,ТСЯ и после заполнения формующей пo
10 lJOpllllll{On В. r. 273
р
p
J1rp
а'
ь'
200
t:::
.......
5 "
u
1::)
1.0
c't:;)
<:)
о .
т
Тз
Ttp
..
t
:::t
cu
100
CU
t:::
t:::::j
50
cu
25
t.)
20
15
t з
to
1
I
l'
I
I
t
о 20 '+0 60
ДаВление 8 срорме , МПа
7:'
1
t o
Рис. 10.28. Цикл диаrрамма литья под давлением реактопластов:
Оа впрыск расплава; аЬ выдержка под давлением; Ьс выдержка при отвержде-
,
нии; цикл Oa l b l с при высокой исходной температуре и давлении Рф.
Рис. 10.29. ВЛИЯllие давления в форме на прочность изделий:
1, 2 разрушающее напряженИе при растяжении для Ф КПМ-15Т при диаметре лит
ника 2 11 5 мм соответственно; 3 разрушающее напряжение при растяжении ДЛЯ' Ar-4B
при диаметре литника 5 мм; 4 и 5 модуль упруrости дЛЯ K 18-2 при диаметре лит-
НИка 5 и 2 мм соответствеНно.
лости пресс-формы достиrает максимальноrо значения Рф (OTpe
З,ОК Оа на рис. 10.28).
Поскольку часть давления теряется в литниковых каналах,
удельное давление в цилиндре машины Руд должно быть больше,
чем в форме:
Руд == Е Рл + Pc + РН (10.35)
rде Рл и Pc перепады давлений в каналах литника и сопла; РН давление,
необходимое для уплотнения материала в форме, РН 50 МПа.
В момент впрыска в цилиндре создается высокое давление
и, так как на хвостовике шнека отсутствует запорный клапан,
как у термопластавтоматов, часть материала перетекает по вин
товым каналам шнека назад. В некоторых случаях эти утечки
достиrают 30 % от объема дозирования. В конце впрыска давле
ние в форме повышается и происходит адиабатическое сжатие
материала, в результате чеrо ero температура еще дополнительно
повышается на 15 20 ос (см. рис. 10.28). При большом давлении
отверждение ускоряется, так как температура пресс-материала
после впрыска и сжатия может стать равной или больше темпе
ратуры пресс-формы Т ф . Это хорошо ВИДНО из циКл-диаrраммы
литья под давлением Рф (см. рис. 10.28, точка а'), коrда темпе
ратура изменяется от Tl до тз.
ТакиМ образом, пресс материал начинает заполнять форму
с температурой Tl ==: 130+140 ос, затем частично наrревается
за счет диссипации энерrии вязкоrо течения в литниках и адиа
274
батическоrо сжатия, т. е. после впрыска ero температура повы
шается до 160 170 ос. Температуру можно рассчитать, используя
уравнения (7.5) и (7.16). В связи с высокой температурой в мо
мент заполнения формующей полости выделяются летучие соеди
нения и пары воды. Для их удаления из формы в плоскости разъ
ема на I плитах необходимо предусмаrривать воздушные каналыI.
После заполнения формы материал затекает в воздушные каналы
и 'переf<рывает их, в формующей полости создается высокое дaB
ление.
I При литье реактопластов не происходит ориентации макро"
молекул, как у термопластов. Возникающая анизотропия проч
ности и усадки изделий в основном объясняется ориентацией
волокнистоrо наполнителя (древесной муки или стекловолокна).
Направление ориентации во MHoroM зависит от режима запол
пения формы. Так, при струйном заполнении, как было показано
на рис. 7.5, а, материал при. движении укладывается спиральной
струей и анизотропия практически отсутствует.
В отличие от литья термопластов, давление в форме выбирают
из условия обеспечения прочности изделия. При увеличении дaB
ления разрушающее напряжение при растяжении повышается
и при 40 МПа достиrает, постоянноrо значения (рис. 10.29). На
прочность влиют также условия течения в литниках: чем тоньше
литник, тем выше модуль упруrости (кривые 4 и 5 на рис. 10.29),
что объясняется, вероятно, более равномерным наrреванием пресс
материала.
От давления в форме зависит также усадка; чем выше давле
ние,,'тем меньше усадка. Усадка повышается с ростом температуры
формы, однако при литье реактопластов значительно меньше, чем
ПРИ' литье. термопластов.
10.6.3. Выдержка под давлением
Данная операци,SJ необходима для отверждения пресс-мате
риала в литниках формы, чтобы при отводе сопла не произошло
вытекания материала из формующей полости. Выдержка под
давлением о ществляется почти при постоянном давлении (см.
отрезок C:l0, на рис. 10.28).
"+ Время вы ржки под давлением t д зависит от температуры
пресс материала и формы, а так как при литье под давлением
ЭТИ теМ9ератур.ы почти равны, то расчет проводят по уравнению:
t д == КВ (t B . П t и . п) еР (Т п Т э) (10.36)
rДе t в . п , t н . п , , Т п см. обозначения к уравнениям (10.13) и (10.14); Тз
температура материала после впрыска; КВ коэффициент, учитывающий CTe
пень отверждения материала в литнике.
. Поскольку вязкость материала очень высока, то выдержку
можно прервать ПРИ' достижении степени отверждения литника
50 60 %; поэтому можно ориентировочн принять Кв 0,5.
275
По окончании выдержки под давлением механизм пластикации
и впрыска отводится от формы, давление внутри цилиндра сбра-
сывается дО РП (давление подпора) и начинается дозирован;ие
следующей порции. После отвода сопла часть материала может
вытечь из формы, но при этом оставшееся давление не должно
быть менее 40 МПа.
Во время выдержки пе>д даилением происходит теплообмен
между материалом и поверхностью формообразующей полости.
При этом, если температура материала после впрыска и сжатия
ниже Т ф , то материал наrревается (отрезок q,b на рис. 10.28).
Если же температура материала выше Т ф' во ремя выдержки
она может понизиться дО Т Ф (отрезок аЬ на рис. 10.28).
Таким обра l)м, при выдержке под давлением происходит
частичное отверждение, вследствие чеrо может изменяться плот
ность материала и ero объем. Поскольку материал..в литниковых
каналах вначале выдержки не отвержден, то в формующую по
лость формы дополнительно наrнетается материал, который ком-
пенсирует изменение объема отливки.
10.6.4. ,Выдержка при отверждении
Выдержка при отверждении необходима для окончательноrо
завершения реакции отверждения. Время отверждения зависит
от температуры материала и фОРМI?I, а также от технолоrических
свойств пресс материала.
Поскольку процесс отверждения начинается сразу после
впрыска и происходит без значительноrо изменения температуры,
то время отверждения t B можно рассчитать по ура..внению:
, t B == [(t 8 . П t н : п ) e (Т пл Т ер)] ---- t д (10.37)
rде Тср средняя температура материала В процессе выдержки, Тер ==
== (Тз + Тф)/2.
В данном случае процесс не связанlSс теплопередачей, поэтому
время отвержденияrне зависит от толщины изделия и ero конфи-
rурации. Однако, коrда литье про одится при температурах,
сильно, отличающихся
от Т ф' то толщина изде-
лия влияет на BpeM
отверждения и для рас-
чета t 8 необходимо и с..
пользовать уравнение
4a (10.29) или (10.30).
5
а
5
4=
2
"'
2
g 96
.t:S
'-'
о
4u :i' 93
::i
:1: c.
c:lt1
.::! 90
c::.
Cb
.g 87
Е:
u
t:S
8*
170 ос
150
"...........
/ '>: '"' ....... .......1 '!.р..
/ / // ''''' .............. 150
/ ........ ....... 19 О ...... ......
?, :; :" "----- .15 О
.. ...иP..
190 ос
-.а
l;
iI;
...
C::
70
fI/)
:::S
::t
50
JO
Рис. 10.30. Зависимость
свойств изделия от времени OT
вержденИЯ и температуры формы
при литье К 18-2:
содержание HepaCT
воримоА части; .
разрушающее напряжение при
изrибе; . . ударная вяз-
КОСТЬ.
190
....
{ЗреМ/f
276
Влияние температуры формы и времени отверждения на свой
ства изделий показаны на рис. 10.30. Из рисунка следует, что
оптимальная выдержка, обеспечивающая наилучшие свойства,
зависит от температуры формы. В начале с ростом температуры
свойства повышаются, а зате 1 начинают снижаться, особенно
это характерно для Еазрушающеrо напряжения при изrибе.
После окончания выдержки и отверждения материала про-
исходит раскрытие формы и удаление изделия. Изделия извле-
каются из формы при высокой температуре, так как при отверж-
дении связующее переходит в неплавкое и нерастворимое состоя-
ние. Вследствие полной изоляции оформляющей полости, оказы
вать влияние на характер протекающих процессов после выдержки
под давлением пр ктически нево можно. Эти процессы можно
изменить только путем задания их начальных параметров: давл
ния, степени наrревания материала. В зависимости от этих пара-
метров изменяется время отверждения, однородность протекания
реакции, плотность и прочность изделий. Давление, создаваемое
в форме, влияет на усилие смыкания формы. Чтобы исключить
раскрытие формы и вытекание материала, усилие смыкания Рем
должно быть больше произведения площади отливки.: Fизд на
.давление в форме Рф:
РеМ рф (F изд n + F л) (10.38)
При dИ:jКИХ усилиях смыкания в ПЛОСКость разъема пресс
формы затекает материал и на изделиях образуется толстый облой,
меняются размеры изделий. . ,
. Основное преимущество литья:'. под давлением по сравнению
с литьевым прессованием заключается в возможности совмещения
технолоrи ческих операций, ускорении процесса, ,отвер*дения.
В данном случае отпадает необходимость в таблетировании, пред-
варительном наrревании и ручной' заrрузке материала. При
литье под давлением все операции MorYT быть автоматизированы,
что позволяет повысить производительность машины и ка чество
изделий. Однако для литья под давлением необходимо использо-
вать rранулированные материалы, обладающие достаточным вре-,
менем пребывания в вязкотекучем состоянии и сравнительно
высокой скоростью отверждения.
, .
Fлава 11
МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ
ИЗ ПЛАСТМАСС
11.1. ОСОБЕННОСТИ ОБРАБОТКИ ПЛАСТМАСС
Механическая обрабОТJ<а изделий, изrотовленных различными
методами, при:меняется преимущественно для удаления облоя,
приливов, литников или снятия фаски по месту разъема формы.
В некоторых случаях механическим способом выполняются отдель-
JlbI ЭJIемеНТЬ1 изделий, которые трудно ОФОРМ:Ц Т 9 ,рреССО138нием
277
или литьем под давлением непо редственно в форме (боковые
пазы, отверстия и т. д.). Применяется механическая обработка
также для повышения класса точности отдельных размеров,
которые невозможно получить при изrотовлении изделий, вслед
ствие колебания усадки. Доработка изrотовленных изделий
обычно производится точением, фрезерова нием, сверлением, шли.
фованием или вырубкой штампом.
/ Обработка пластмассовых изделий в отличие от обработки
металлов имеет ряд особенностей, обусловленных строением
полимеров и свойствами их композиций.}. В связи с тем, что по
лимеры облад ют низкой теплопроводностью, теплота, которая
выделяется при снятии стружки, концентрируется преимуще
ственно в тонком слое. Это приводит к тому, что при точении про
исходит местный разоrрев до 500 600 ос, в результате KOToporo
полимер в месте снятия стружки оплавляется или приrорает,
стружка прилипает к режущему инструменту и затрудняется
ее удаление. При этом увеличивается трение и может произойти
вырыв полимера на обрабатываемой поверхности. При снятии
стружки режущим инструментом возникают УСИЛИЯ" резания,
под действием которых полимер деформируется, в результате чеrо
снижается точность обработки и поверхность становится волни
стой.
\-.....Особые трудности возникают при изrотовлении изделий из
армированных пластмасс, Qбладающих анизотропией прочности
(rетинакс, стеклотекстолит, стеклонаполненный ПQлиамид). По
скольку полимеры обладают сравнительно низкой адrезией к на.
полнителю, особенно к стекловолокну, под действием усилия
резания происходит расслоение материала, и чистота обработки
снижается,;) При этом, как правило, образуется пыль, которую
необходимо удаЛЯТЬ, ИСПО{lЬЗуя местную отсасывающую венти
ляцию. Кроме Toro, при обработке пластмасс, наполненных CTeK
ЛОВОЛОКНОМ или кварцевой мукой, I!РОИСХОДИТ сильный абразив-
ный износ режущей кромки инструмента даже из твердых спла-
вов, поэтому инструмент приходится затачивать через 5 18 мин.
При обработке металлов для охлаждения изделия и инструмента
очень. широко применяют жидкости. Большинство же пластмасс
обладает значительным водопоrлощением, вследствие чеrо охлаж
дение жидкостью неприменимо. Для этоrо обычно используют
охлажд-енный сжатый воздух.
При резании пластмасс иначе, чем у металлов, протекает и
процесс стружкообразования. Так, при обработке хрупких пласт
масс снятие стружки сопровождается отсутствием пластическоrо
течения полимера, и процесс резания происхоДИТ за счет скалыва
ния материала в зоне образования стружки. При обработке изде
лий из теРМОПЛ,астичных полимеров ввиду высокой скорости Ha
rружения' пЛастическая деформация, обусловленная местным
HarpeBoM полимера, проявляется только в очень тонком слое,
остальная же часть стружки образуется в результате хрупкоrо
разрущеН 5J. Таким образом, скорость резания влияет на про.,
7&
Рис. 11.1. Схема образования стружки и 'основные yrJlbl резца:
1 изделие; 2 стружка; 3 режущИЙ инструмент.
A A
цесс образования стружки двоя ко. При
повышении скорости растет тепловыделение У
и пластическая деформация увеличивается,
но. при этом возрастает скорость приложе
ния наrрузки и полимер начинает вести
себя как хрупкое тело. Поэтому в зависи /
мости от условий резания, вида полимера
и конструкции ре)l{ущеrо инструмента cy
rцecTByeT узкая область скоростей резания,
обеспечивающая высокую точность и каче t
ство поверхности.
Прежде чем перейти к рассмотрению
конкретных видов механической обработ-
ки, необходимо разобрать основные понятия
и элементы процесса резания. При всех видах механической
обработки процесс образования стружки происходит почти оди
наково, поэтому для простоты рассмотрим ero на примере OДHO
лезвийноrо инструмента (резца) (рис. 11.1).
Процесс механиче кой обработки осуществляется за счет взаим
Horo перемещения обрабатываемоrо изделия 1 и режущеrо ин
струмента 3 со скоростью V p ,. в результате чеrо происходит снятие
стружки 2. Режущая rpaHb резца образована передней и задней
поверхностями резца (см. сечение A A на рис. 11.1). Передняя
поверхность с основной (rоризонтальной) плоскостью образует
передний уrол , а заДНЯЯ и вертикальная плоскости образуют
задний уrол а, который определяет силу трения резца об обра
батыIаемуюю поверхность и обычно выбирается в пределах 10 200.
. У.rол заострения резца зависит от этих уrлов а и : ==
=== 90 а :f: . Если посмотреть !ia резец в плане, то пЛоскость
резания расположена к обрабатываемой поверхности под уrлом ер,
а вспомоrательная заДНЯЯ поверхность под уrлом ер!. Скорость
перемещения изделия относительно резца называется скоростью
резания и обозначается V p , а толщина срезаемоrо слоя с поверх-
ности изделия t называется rлубиной резания. Резец переме
щается также относительно издеЛl!Я в rоризонтальной плоскости,
Т. е. происходит подача, которую обычно выражают в милли
метрах за один оборот или один проход резца и обозначают бук
вой s. Таким образом, условия резания задаются rеометрией
резца (уrлами , а, ер, ер!) и режимом резания (скоростью резания,
rлубиной и подачей).
При снятии стружки образуются силы, под действием кото-
рых происходит деформация полимера. Резец при движении сжи
мает слой полимера и на передней поверхности возникает сила N,
направление которой зависит от уrла 'v и силы трения стружки
о .резец. Если передний уrол отрицательный ('V < О), то полимер
испытывает большие сжимающие силы, так как вектор N y Ha
правлен 'в сторону обрабатываеl\Jl0rо изделия (рис. 11.2). Под
279
у<о
у>о
Рис. 11.2. Направление со"
ставляющих сил резания при
различных значениях перед
Hero уrла у.
y 5.
действием сжимающих усилий полимер деформируется, а после
прохода режущей кромки происходит упруrо восстановление
размеров, и поверхность изделия прижимается к плоскости pe
зания. В связи с этим увеличиваются силы трения и происходит
сильное разоrревание изделия, нарушается точность обработки
и чистота поверхности ухудшается. Если передний уrол, наоборот.
очень велик (1' > О), то нормальная сила N у направлена в про-
тивоположную сторону, обрабатываемая поверхность испыты
вает растяrивающие напряжения, и происходит образование
стружки с выкрошиванием, образуются вырывы на поверхности.
Обычно передний уrол l' выбирают таким, чтобы N у о. Как
видно из рис. 11.3, нормальная сила N у достиrает минимальноrо
значения l' 50, однако оптимальное значение уrла не постоянно,
а изменяется в зависимости от вида полимера и СI{ОРОСТИ резания.
СИJ..lа резания N z увеличивается с ростом rлубины резания и
уменьшается при увеличении 1'.
Качество обрабатываемой поверхности в основном зависит от
подачи (рис. 11.4), поэтому для уменьшения шероховатости вер-
шину - резца делают с закруrлением радиуса r 0,5 MM При
обработке термопластичных полимеров шероховатость поверх.
ности несколько СlIижается при увеличении скорости резания,
однако определяющими факторами являются подача и радиус
закруrления. '
ОТ режимов резания Зависит также стойкость (время работы
до за,тупления) резцов. Так, износ задней поверхности возрастает
Nz,H
120
100
о 80 'x O, 15
r x ,
ба о 10 х,
, х........
*0 x,
J
20 t = О, 05
О
· --1.О 10 о 10
а
о:
Ny,H
60
чО
20
О
"'20
"'10
20 ЗОу, о 10 --10 'о 10 20 30 Уl о
280
I
t = О, 15
0,10
0,05
рис. 11.3: ВJlияние перед-
Hero уrла у и rлубины реза-
ния t на сос.тавляющие силы
резания Hz (а). и Ну (6) при
точении поливинилхлорида.
8,0
6,0
Ч,О
... 2, О
.
1,0 .
0,6
0,*
/
/
/
/
/
I
I
I
0,20,01
. 0,020,
.::::1 =е
....
0.015
с'о) е:: ,
c:::a
0,010
C)jcu
qo
t'r)o
c: 0.005
,
0,01;
0,1 S,MM/o5
0100 500 1000 1500 2000 2500
Длина резания, м
Рис. 11.4. Зависимость шероховатости поверхности Н от подачи S при точении поли-
8ИНИJlхлорида:
1 алмазная режущая кромка; 2 твердосплавные резЦЫ.
РИС. 11.5. Зависимость износа твердосплааноrо резца от длины и скорости резания.
с увеличением подачи, rлубины и скорости резания (рис. 11.5).
Однако основной износ инструмента зависит от длины резания
(длины снятия стружки), вида обрабатываемоrо материала и
материала режущей кромки инструмента.
Процесс обработки резанием может быть условно оценен, по
/коэффициенту обрабатываемости К:
к == Vм/VиНW р
(11.1)
rде У н износ режущеrо инструмента, ма/с; YM объем срезаемоrо полимера,
мз/с; Н шероховатость поверхности; W р расход энерrии на процесс резания.
W p == NzVp .
( 11.2)
rде N z сила резания; Vp скорость резания.
При обработке шлифованием процесс резания 'практически
сохраняется, но имеются некоторые особенности. Например,
rеометрия режущей кромки в данном случае зависит от формы
абразивных зерен, которые запрессованы в шлифовальном Kpyre
или наклеены на бумаrу. Размеры элементарных режущих по
верхностей оцениваются по зернистости шлифовальноrо Kpyra.
В зависимости от обрабатываемоrо материала шлифовал,?ные
круrи выбирают с определенной твердостью, С1'руктурой (п.тiот
ностью расположения зерен) и видом основы (керамическая, ба
келитовая или вулканитовая). Твердость абразивноrо инстру
мента должна быть такой, чтобы по мере затупления зерен про
исходило их вь крошивание и обновление поверхности Kpyra.
При ШJ,lифовании пластмасс применяют круrи с открытой CTPYK
турой, -чтобы поверхность Kpyra не забивалась обрабатываемым
полимером. В зависимости от обрабатываемой поверхности абра
'зивные круrи Mor : быть цилиндричеСКие, конические, а также
в виде дис ов или ",конусов.
281
11.2. УДАЛЕНИЕ ОБЛОЯ И ЛИТНИКОВ НА ИЗДЕЛИЯХ
ИЗ РЕАКТОПЛАСТОВ
в зависимости от конструкции пресс-форм облой мо)кет быть
расположен на торцовой и боковой поверхностях, в соответствии
с этим выбирается схема доработки изделия.
Облой на изделиях из реактопластов удаляется преимущест
венно шлифованием с применением электрокорундовых и коно-
корундовых абразивных KpyroB) Изделия с прямыми rранями
шлифуют на цилиндрических Kpyrax с использованием.. при-
способления, показанноrо на рис. 11.6. Изделие 3 устанавливают
на стол 4 и в процессе снятия облоя и фаски по контуру при
жимают к абразивному Kpyry 1. Размер снимаемой фаски задается
установкой оrраничителя 2, к которому изделие может плотно
прижиматься пружиной или направляющей пленкой, закрепляе-
мой на столе 4. .
Уrол наклона фаски задается перемещением стола 4 по верти
кали. Круrлые изделия также можно обрабатывать на подобном
приспособлении, но при этом их следует приводить во враlцение
BOKpyr оси с помощью отдельноrо привода. Если доработка про
водится с помощью наждачной бумаrи (шкурки), то используется
приспособление с металлическим диском 2, на который наклеена
абразивная шкурка на бумажной или тканевой основе (рис. 11.7).
Изделие 3 устанавливают на поворотном столе 4, уrол наКЛ9на
KOToporo задается в зависимости от формы изделия. Данное при
способление применяется для удаления облоя преимущественно
на торцовой поверхности изделия Скорость шлифования обычно
устанавливают 25 30 м/с. Для черновой обработки шлифованием
используют абразивные круrи или шкурки с зернистостью 50
100, а для чистовой обработки 16 25 и твердостью Ml CMl.
Охлаждение осуществляется обычно струей сжатоrо воздуха или
водой.
Для шлифования пластмассовых изделий с абразивным Ha
полнителем целесообразно использовать алмазный инструмент,
при этом резко возрастает стойкость и производительнос ь про
цесса.
1
' )
Рис. t t .6. П испособлеъие ДЛЯ снятия. об оя с боковой nOBepxlloc11i:
1 абразивный КРУ"; 2 оrраНIIЧliтель; 3 изделие; 4 СТОЛ.
Рис. t t. 7. ПРИСllособлеНllе для снятия облоя с торцовой повеРХНОСТII изделия:
1 элеКТрОДnllrатеЛЬ; 2 диск; з изделие; 4 стол.
282
а 6
1 2 3
Рис. 11.8. Приспособления для удаления облоя в отверстиях:
/ корпус; 2 шпиндель; 3 цилиндрическая оправка; 4 I<оническая оправка.
Облой в отверстиях удаляют с помощью конических зенкеров
с твердосплавными пластинками на режущей кромке (рис. 11.8, а)
или конических шлифовальных KpyroB (рис. 11.8, б). Подобные
устройства можно использовать также для снятия фаски по вну-
тренней кромке изделия.
Для удаления облоя МО)I{НО использовать rалтовочные бара
баны' с перфорированной стенкой. Изделия заrружают в восьми
rранный или шестиrранный барабан, внутренняя поверхность
KOToporo облицована листовым поливинилхлоридом или поли
этиленом высокой плотности (рис. 11.9). При вращении барабана
изделия ударяются друr о друrа или о стенки, вследствие чеrо
происходит скалывание облоя. Частицы облоя удаляются через
отверстия в стенках. Частоту вращения барабана рассчитывают
с такими условием, чтобы изделия поднимались на опре еленную
высоту, а затем падали, т. е. чтобы центробежная сила была
меньше силы тяжести. В некоторых случаях вместе с изделиями
в барабан заrружают кленовые кубики или друrие тела, форму
и материал которых подбирают в зависимости .от свойств MaTe
риала изделия и ero rабаритов.
. При крупносерийном производстве иноrда используют дробе
струйные установки (рис. 11.10), в которых вместо дроби приме
няют капроновые кубики или цилиндрики, приводимые в движе
ние сжатым воздухом. Сжатый воздух захватывает полимерную
«дробь» 2, подаваемую дозатором, и через сопло 1 с большой
1
J
2
Рис. 11.9. rалтовочный барабан:
J стаНИItа; 2 привод; 3 барабан.
Рис. 11.10. Схема удаления облоя на дробеструйной установке:
J сопло; 2 полимерная «дробь»; 3 облой; 4 оправка; 5 изделие.
283
скорос'I'ью ударяеТ ItO изделию 5, которое закреплено з оправке 4.
В результате происходит разрушение облоя 3. \
Удаление литников производится преимущественно методом
шлифо ания на цилиндрических или дисковых Kpyrax. Широкое
рименение находят алмазные отрезные круrи. Центральные
пальцевые литники, имеющие большие размеры, обычно удаляют
точением на фрезерных или токарных станках. Для обработки
применяют режущий инструмент с пластинками из твердых спла
вов ВК2, ,BI<.3M, ,ВК6М, ВК6 (необходимо учитывать...повышенную
хрупкость сплавов ВК2 и ВК3М). ,
11.3. ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ
в отличие от реактопластов, при шлифовании изделий...из Tep
мопластов трудно обеспечить высокую чистоту обработки. В oco
бенности это относится к изделиям, изrотовленным из поли
этилена, полипропилена и друrих эластичных материалов. При
обработке их шлифованием происходит ориентация макромолекул
в поверхностных слоях и частичное вырывание волокнистых
частиц, вследствие чеrо образуется ворсистая поверхность, в oco
бенности на краях изделия. Кроме Toro, при высоких скоростях
шлифования может произойти оплавление поверхности и залипа
ние абразивных зерен Kpyra. Поэтому доработка изделий из
термопластов производится преимуrцественно резанием OДHO
лезвийным или мноrолезвийным инструментом из быстрорежущей
стали р 18.
ll1ирокое применение для обработки изделий из нехрупких
полимеров находит вырубка штампом (рис. 11.11). Изделие 1
закладывают в матрицу 2 штампа и прижимают резиновой пли
той 3, после чеrо опускается пуансон 4, закрепленный в плитах 5
и 6, и происходит вырубка. Размеры пуансона и матрицы делают
равными размерам изделия. При движении пуансона происходит
обрубка облоя и литников одновременно. Облой на торой по
верхности изделия (снизу) обрезается резцом 7,..который движется
вдоль матрицы 2.
Для снятия облоя можно использовать также..:t.,rалтовочные
барабаны или дробеструйные установки" но они приrодны только
для изделий, изrотовленных из хрупких
полимеров. Изделия из таких полиме
ров, как полиэтилен, пол пропилен,
пластифицированный поливинилхлорид,
таким способом можно обрабатывать
только при охлаждении ниже темпера
туры морозостойкости, для чеrо исполь-
зуют жидкий азот или уrлекислый rаз.
6
\ И, '!
8 2
1
о I о
о
284
t»ис. t t. t 1. Вырубной штамп ДЛЯ удаJlения оБJlОЯ и лит-
ников: .
1 изделие; 2 матрица; 3 резиновая плита; 4
пуансон; 5 и 6 плиты; 7 резец; 8 облой.
(L
d
6
8
1
у
Рис. t 1.12. Основные виды заточки CBepJl, применяемых при еверJlениtl nJlaCTMacc:
а обычная заточка; 6 с двойной заточкой; в с заточкой режущих кромок. 1 .......
стружкоотводящая канавка; 2 ленточка; d диаметр сверла; (Р уrол при Bep
ШlIне; си yrOJJ наклона винтовой к навки; а задНИЙ уrол; l' передний уrол.
Изделия из термопластов обрабатывают также в растворителе
или парами растворителя. На непродол}кительное время изделие
поrружается в пары растворителя, .и тонкая перемычка облоя
быстро растворяется или притупляется. Однако пары воздей
ствуют на BCIO поверхность изделия, что может отрицате ьно
сказаться на ero прочности и внешнем виде, поэтому данныIй
метод применяется сравнительно редко.
Облой в отверстиях можно достаточно леrко удалить сверле
нием с ПОМощью сверл, показанных на рис. 11.12. Наиболее
приrодны сверла со следующими параметрами заточки: 2<р ==
== 70+1000, (r) == 12 17°, У 0 30, а === 10 20°. Для облеr
./
чения удаления стружки стружкоотводящая канавка 1 у сверла
при обработке пластмасс делается полированной. Для повышения
чистоты обработки применяют сверла с двойной заточкой уrла
при вершине (см. рис. 11.12, б). Толщина. ,стружки, срезаемой
второй режущей кромкой, при этом"""уменьшается и исключаеТСfl
образование трещин BOKpyr кромки отверстия.. . .
Для уменьшения образо.вания трещин применяются также
сверла с подточкой режущих кромок, которая уменьшает перед
нийуrол ,(см. рис. 11.12" в). Как уже было показано в разделе 11.1,
при уменьшении переднеrо уrла у снижается сила резания Ру,
поэтому при сверлении исключаются вырывание и сколы обраба
тываемой поверхности. Частоту вращения сверла выбирают в за-
висимости от ero диаметра, вида полимера (теплостойкости),
подачи и., рассчитывают, исходя из скорости резания. Для боль
шинства полимеров скорость резания при сверлении должна быть
равна не менее 0,5 I,O м/с, а подача 0,15 ,8 мм/об.
11.4. полировД/ИЕ ИЗДЕЛИЙ
Полирова проводится для повышения чистоты обработки
поверхностей, на которых шлифованием удаляется облой или
литники. Процесс обычно состоит из двух операций: предвари
тельноrо полирования и притирки (rлянцевания).
Предварительное полирование осуществляется на войлочных
или миткалевых Kpyrax, на поверхность которых наносят пасту,
285
состоящую из пемзы и Воды. Поверхность изделия слеrка под
жимают к вращающемуся Kpyry и постепенно перемещают, чтобы
обеспечить равномерность полирования и не допустить прижоrов
или оплавления поверхности. Частоту вращения Kpyra выбирают
с таким расчетом, чтобы под действием центробежной силы не
происходило отделения пасты.
После MOKporo полирования изделия тщательно промывают,
а затем подверrают сухому полированию. Для этоrо применяют
смеси абразивноrо порошка' или окиси хрома с воском, парафином
и минеральным маслом. Можно пользоваться rотовыми пастами
rои или ВИАМ 2.
ДЛЯ rлянцевания применяют очистной Kpyr, который де1"
лается более мяrким. На ero поверхность наносят известковы ,
или меловой состав, с помощью KOToporo с поверхности удаляютс
следы жира и достиrается необходимый rлянец. При этом избе
rают больших усилий прижима Kpyra, чтобы не повысилась TeM
пература выше температуры стеклования или теплостойкости
по Вика. Для полирования изделий из реактопластов применяют
полирующий состав, не содержащий :масел.
Мелкоrабаритные изделия можно полировать в rалтовочных
барабанах. В качестве полирующеrо состава применяют мел
(или пемзу) и опилки в соотношении 1 : 1. Очищенные изделия
заrружают в барабан, не имеющий перфорации стенок вместе
с полирующим составом. Для полирования можно использовать
также полировальные пасты rои или ВИАМ 2, которые наносят
'на деревянные кубики или шары, заrружаемые вместе с изделия и
в барабан. При вращении происходит трение изделий о пастоно
ситель и изделия полируются. Отполированные изделия очищают
в друrом барабане с опилками, а затем промывают и сушат.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
ОСНОВНАЯ
Алфрей Т. МехаНlIческие свойства высокополимеров. 1\'\.: ИЛ, 1962.
Андрианова r. П. Физико химия полиолефинов. М.: Химия, 1974. 234 с.
Аскадскuй А. А. Деформация полимеров. М.: Химия, 1973. 448 с.
Басов Н. и., КиА! В. С., Скуратов В. К. Оборудование для производства
объемных изделий из термопластов. М.: Машиностроение, 1972. 272 с.
Бернхард э. Переработка термопластичных материалов. М.: Химия, 1965.
748 с.
БО2данов В. В. ТеХIlолоrические свойства пластмасс. Л.: Изд во лrу,
1978. 176 с.
БО2данов В. В., Торнер Р. В., Красовский В. Н., Ре2ер э. О. Смешение
полимеров. л.: Химия, 1979. 192 с.
ВиНО2радов r. В., Малкин А. Я. Реолоrия полимеров. М.: Химия, 1977.
440 с. ,
roBopoB и. д. Механизация и автоматизация технолоrических операций.
обработки деталей из реактопластов. М.: Машиностроение, 1973. 190 с.
rрифф А. Технолоrия экструзии пластмасс. М.: Мир, 1965. 308 с.
rуль В. Е., Кулезнев В. Н. Структура и механические свойства полимеров.
М.: Высшая школа, 1972. 320 с.
Дедюхин В. r., Ставров В. п. Прессованные стеклопластики. М.: Химия,
1976. 272 с.
Езжев А. С., Осипов А. В. Механизация и автоматизация переработки
пластмасс на принципе выносной пресс формы. М.: Машиностроение, 1971.
157 с.. .
Зав20родний В. К. Механизация и автоматизация переработки пластических
Масс. М.: Машиностроение, 1970. 596 с.
К им В. С., Скачков В. В. Оборудование подrотовительноrо производства
заводов пластмасс. М.: Машиностроение, 1977. 183 с.
Лапшин В. В. Основы переработки ермоплас.тов литьем под давлением.
М.: Химия, 1974. 270 с.
Леонов А. И., Басов Н. И., Казанков ю. В. Основы переработки peaKTO
пластов и резин методом литья под давлением. М.: Химия, 1977. 216 с.
Лукач ю. Е., Рябинин д. д., Метлов Б. Н. Валковые машины для ne
реработки пластмасс и резиновых смесей. М.: Машиностроение, 1967. 291 с.
Мак Келви д. М. Переработка полимеров. М.: Химия, .1965. 442 с.
, '''Практикум по технолоrии переработки пластических масс/Под ред. Вино
(rр дова В. М., rоловкина r. С; М.: Химия, 1980. 240 с.
( ..Та2ер А. А. Физикохимия полимеров. М.: Химия, 1978. 544 с.
, topHep Р. В. Теоретические основы переработки полимеров. М.: Химия,
1977. 464 с.
Тябин Н. В. Реолоrическая кибернетика. Волrоrрад, 1977. 112 с.
Фридман М. Л. Технолоrия переработки кристаллических полиолефинов.
М.: Химия, 1977. 398 с.
Шенкель Т. Шнековые прессы для пластмасс. Пер. с нем./Под ред.
Шаqиро А. я. Л.: rосхимиздат, 1962. 467 с.
, ..", Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия. Т. 1, 1972; т. 2,
1974; т. 3, 1977.
ДОПОЛНИТЕлqf ЛЯ
К rлаве 1
Акутин М. с., Афанасьев Н. В. Теоретические основы переработки пласт
масс. М.: мхти им. Д. и. .i енделеева, 1974. ч. 1, 158 с.; ч. 2, 126 с.
Барmенев Т. М., Зеленев Ю. В. Курс физики полимеров. л.: Химия, 1976.
288 с.
Манделькерн л. Кристаллизация полимеров. М., Л.: Химия, 1968. 336 с.
287
К rлаве 2
Белкин, и. М., ВиНО2радов Т. В., Леонов А. Н. Ротационные приборы.
Измерение вязкости и физико механических характеристик материалов. М.:
Машиностроение, 1963. 272 с.
Малrcин А. Я., ЧаЛblХ А. Е. Диффузия и 8ЯЗКОСТЬ полимеров. Методы изме
рения. М.: Химия, 1965. 304 с.
Мидлман С. Течение полимеров. М.: Мир, 1971. 263 с.
Рейнер М. Деформация и течение. М.: rостоптехиздат, 1963. 382 с.
Хан ЧаН2 Дей. Реолоrия в процессах переработки полимеров: Пер. с анrл./
Под ред. Виноrрадова' r. В. и Фридмана М. ,л. М.: Химия, 1.979. 368 с.
Кrлаве3
ТРШ0рьев А. п. Практикум по технолоrии полимеризаЦИОНIIЫХ пластмасс.
М.: Высшая школа, 1977. 248 с.
Турова Т. А. Технический анализ и контроль производства пластмасс.
М.: Высшая школа, 1980. 200 с.
Соколов А. д. Методы определения технолоrических свойств реактопластов.
л.: ЛДНТП, 1974.
Ставров В. П., Дедюхин В. Т., Соколов А. д. ТехнолоrичеСI{ие испытания
реактопластов. М.: Химия, 1981. 248 с.
Кrлаве4
Fлуханов Н. Н., Федорова и. Т. Высокочастотный HarpeB диэлектрических
материалов в машиностроении. л.: Машиностроение, 1972. 158 с.
Нсаченко В. П., Осипова В. A. Сукомел А. С. Теплопередача. М.: Энерrо
издат, 1981. 416 с.
Кулезнев В. Н. Смеси полимеров. М.: Химия, 1980. 304 с.
Красовский В. Н. Переработка полимерных материалов на валковых маши-
нах. л.: Химия, 1979. 120 с. (Библиотечка рабочеrо по переработке полимер
ных материалов).
Рябинин д. д., Лукач Ю. Е. Смесительные машины для пластмасс и ре-
зиновых смесей. М.: Машиностроение, 1973. 272 с,
Кrлаве5
Вопросы эн:струзии термопластов/Под ред. Левина А. Н. М.: ИЛ, 1963.
335 с.
ПерераБОТI{а пластмасс. Киев: Техника, 1969. 160 с.
Переработка полимерных материалов. Киев: Техника, 1971. 96 с.
ПрокуниН, А. Н., Фридман М. Л., Вuпоерадов Т. В. Механика полиме-
ров, 1977, N2 3, с. 497 505. .
Сazалаев В.. Т., Тдалин С. Н., Сazалаев Т. В. Механика полимеров,
1977, N2 1, с. 160.
Старков Е. А. Влияние технолоrических параметров процесса экструзии
на качество изделий из полиолефинов. Л _: ЛДНТП, 1965. 35 с.
Тябин Н. В., БортН,иков В. Т., Центовский Е. М., Вачazин К. д. Me
ханика полимеров, 1968, N2 3, с. 531 539.
к rлаве 6
Басов Н. Н., Жаркова л. К., Скуратов 'В. К. Труды МИХМ. М.: Маши
ностроеНllе,. 1964. т. 27, с. 138 151.
Каплун Я. Б., ЛевuН, А. Н. Пласт. массы, 1965, N2 2; с, 46 51.
СаАfосаrпский' Н. Н. Полиэтилен. Способы переработки. Киев: Техника,
1968. 234 с.
Шершнев п. Н., Тябин Н. В., Виноерадов Н, Н, ТРУД Ь 1 Волrоrрадск.
политехн. ин та, 1975, с. !40 1461
?,qR
К rпaBe 7
Басов Н. Н., Фелиnчук и. Н., Казанков ю. В. Труды МИХМ. М.:
Машиностроение, 1964, т. 27, с. 98 104.
Брazинский В. А. Усадка и точность деталей из пластмасс. л.: ЛДНТП,
1.1963. ч. 1, с. 44.
Зав20родН,ий В. К., Калuнчев э. л., Марам Е. Н. Литьевые машины для
термопластов и реактоплаСТ D. М.: Машиностроение, 1968. 376 с.
к rлаве 8
Блюменталь М. r., Пряников М. Н., Эnnель п. Я., Тарасов В. В.
Пласт. массы, 1971, М2 5, с. 30 32.
Нвахненко п. Я., Лапшин В. В., Акутин М. С. Пласт. accы, 1965,
Ng 6, с. 31 35; 1967, М9 12, с. 49 52.
НикитиН, ю. В. В кн.: Машины и технолоrия переработки полимеров.
Сб. научн. тр. ЛТИ, Л., 1969, с. 30 35.
СалазкиН, К. А., Реутов с. В. Труды МИХМ. М.: Машиностроение,
1964, Т. 27, с. 158 166.
Стрельцов К. Н. Переработка термопластов методами механопневмоформо-
вания. л.: Химия, 1981. 232 с.
к rпaBe 9
Бекин Н. r., Торнер Р. В.; Петрушанский В. ю., Сахаев А. Н. Kay
чук и резина, 1971, Ng 6, с. 28.
Елизаров В. Н., Сиразетдинов Т. К. Авиационная техника, 1973, Ng::4,
с. 10 16.
Красовский В. Н., Минишка В. Н., Мирзоев Р. r. в кн.: Машины и
технолоrия переработки полимеров. Сб. научн. трудов ЛТИ им. Ленсовета.
Л., 1969, с. 42 49.
Ломов А. А., rоН,чаров r. М;, Бекин Н. r. в кн.: Реолоrия, процессы
и аппараты химической технолоrии: Межвуз. сб. Волrоrрад, 1980, с. 102 105.
Скробин ю. Б., Тябин' Н. В. Прикладная механика, 1969, т. 5, М9 5,
с. 130 133.
к r л а в е 10
Бортников В. r., Хайруллин и. х. Тепло и массообмен в химической
технолоrии: Межвуз. сб. Казань, 1976, вып. 4, с. 65 68.
Бортников В. r., Шам.zунов д. Р. Машины и технолоrия переработки no
лимеров: Межвуз. сб. л., 1970, Ng 2, с. 88 92.
Б раеинский В. А. Технолоrия прессования точных деталей из термореактив-
ных пластмасс. Л.: Химия, 1971. 356 с.
Соколов А. д. Пласт. массы, 1969, Ng 5, с. 41 43; Ng 6, с. 35 38.
Соколов А. д., Швец М. М., Артемов В. с. Производство электрических
деталей из реактопластов литьем под давлением. М.: Энерrия, 1979. 184 с.
К r л!а в е 11
Казански(J ю. Н. Пласт. массы, 1971, N9 5, с. 73 79.
Кобаяшu А кира. Обработка пластмасс резанием. М.: Машиностроение,
1974. 192 с.
Осиновский Э. и., Суворов В. д. Механическая обработка и отделка изделий
из пластмасс. л.: Химия, 1976. 96 с. (Библиотечка р&бочеrо по переработке
пластмасс).
ШтучНblй В. п. Обработка пластмасс резаняем. < М.: Машиностроение,
1974. 144 с,
IO J8ЕАМЕТНIDIЙ УКАЗАТЕЛЬ
ArperaT для производства труб 131
Аrреrирование структуры 36
Алфрея rаРНll МОДель 60
Аморфное фазовое состояние СМ. )I(ид
кое фазовое состоя нис
Аморфные полимеры 5, 6, 9
наrревание при формовании 226
особенности строения 16 21
переработка формованием 22
термомеханическая кривая 11
Анизотропия
свойств
литьевых изделий 205, 206
пленки 239
труб 133, 134, 138
усадки 76 80, 138, 220
Аномалия вязкости 31,36,37,39, 127,
128
Аномально вязкие жидкости 42 46
Армированные изделия 259, 263
Армированные пластмассы, механиче
ская обр аботка 228
Ацетаты целлюлозы, переработка Ka
ландрованием 237
Ацетобутират целлюлозы, удельный
объем 79
Барабанный смеситель 91
Барруса эффект 29, 61 67
Бuо критерий 154, 169
Блеск поверхности,. зависиМОСТЬ от
температуры расплава 191
Ближний порядок 19
Блоки прессования 262
Больцмана уравнение 57
ВайссенбеР2а эффект 29, 61, 67, 68
Вайссенбер2а Мунu РuвЛllН2а фор
мул а 61 , 62
Вакуумная насадка при получении
труб 145, 146
Вакуумное калибрование труб 155
Вакуумформование 7 224, 233 235
в матрицу, 233 --
на пуансоне 233, 234
с предварительной вытяжкой
сжатым воздухом 234
с вытяжкой
воздушной подушкой 234
толкателем 233
Валки для охлаждения пленки 172, 175
Вальцевание 92, 93
термопластов с повышенной вла)l{
ностью 81
BaH Кревелена классификация методов
переработки 86, 87
Векторы сил трен и я в I{анале ш нека
1 05, 1 06
90
Вuносрадова МаЛКllна уравнения 34,
35
В uнmер2ерста уравнение 194
Влажность пресс материалов 80 82,
248
влияние на таблетируемость 84
влияние на усадку 78
Водяное охлаждение пленки 176,
177
Впрыск расплава при литье
реактопластов 273 275
термопластов 203 208
Время впрыска 204
Время выдержки
под давлением при литье 221, 222
при компрессионном прессовании
252
при охлаждении в процессе литья
под давлением 222-
при прессовании 73
Время вязкотекучеrо состояния npecc
материалов 246
Время наtревания при компрессион
ном прессовании 264, 265
Время отверждения пресс материалов
72 74, 248, 276, 277
в пластометре 73
при компрессионном прессовании
264 266
при литьев.ом прессовании 266
271
стандартных образцов 74, 75
Время охлаждения изделий 147, 153,
193, 230 .
Время релаксации 57, 58
Входовые потери давления 51 54
Входовый поправочный коэффициент
51, 52, 53, 268
Выдержка
под давлением 208 210, 275, 276
при отверждении 276, 277
Выдувание
из литьевых заrотовок 195 198
пустотелых изделий 180 198
свободное 232
Выдувной arperaT
производительность 182, 183
скопильником 183, 184
Выравнивание потоков расплава
в коллекторной rоловке 172, 173
с помощью
реrулировочноrо кольца 136,
137 .
симметричных распредели
тельных каналов 136
Высокочастотная установка для на-
rревания полимеров 98
Высокочастотное наrре ание 225, 250
Высокоэластическая деформация 7, 11,
29, 55
Высокоэластическое состояние 5, 7, 8
Вытяжка
заrотовки 186, 187
пленки 162 165
при формовании 229
самопроизвольная 186, 187
условия 20, 21
Вязкие жидкости 29, 30
Вязкопластичные жидкости 29, 30
В яз кость
наибольшая ньютоновская 31, 32
полимеров, зависимость от моле
кулярной массы 8, 9
расплава ри растяжении 186
эффективная 34, 40, 41,73; 152, 153
Вязкотекучее состояние полимеров 5,
8, 9, 28 68, 73
Вязкотекучие свойства термореактив
ных материалов 72 74
Вязкоупруrие жидкости 29
Вязкоупруrие свойства полимеров 56
61
rалтовочный барабан 6, 283, 284, 286
Fамuльтона и Fpoccepa уравнение
111
rексаrональная упаковка макромоле
кул 18, 28
FepAtaHCa функция 179
rетинакс, механическая обработка 278
fибкоцепные полимеры 19, 20
fидравлические прессы, коэффициент
использования машинноrо времени
260, 263
rлубина канала шнека, влияние на
производительность 124
fоловка(и)
коллекторные 172, 173
мноrоручьевая 183, 184
Z образные 132
с охлаждаемым дорном 147
трубная 137, 147
плоскощелевая с упруrой rубкой
173, 174
прямоточные 132, 133, 135
с винтовыми канавками 135
с вращающимся дорном 140
с цилиндрической решеткой
дорнодержателя 135
с изменяющейся rлубиной форму
ющеrо канала 188
с радиальным распределением pac
плава на дорне 159, 160
уrловые 132
с вращающимся дорном 184,
185
с каплеобразным распредели
телем расплава 158, 159
rОЛОВК1i
yr ловые
с охлаждаемым Дорном 136,
147
трубные 136, 137
с закреплением формующеrо
кольца в шаровом шарнире
137
формующие 184 188
формы канала 186
щелевая с двумя коллекторами 174
fорячая резка 94
fорячеканальный литник 214, 215
fрадиент давления
в зоне дозирования 120, 121
в канале шнека 117
rрадиент скорости см. Скорость сдвиrа
fр нулирование J !, 95
fранулометIJический состав полимер-
ных материалов 82, 83, 84
FYKa закон 58
Давление
в межвалковом зазоре каландра
241, 242 \
в процессе отверждения пресс
материалов 249
в форме 274
в формующей rоловке 120, 121
воздуха при калибровании труб
154, 155
калибрования 144
прессования 245
Дальний порядок 16, 19
Двухстороннее охлаждение пленки 164
Двухсторонняя ориентация 179
Дериватоrраф 14
Дефектные области 'в полимере 17
Дефекты кристаллической структуры
полимера 17
Деформация 28, 29
высокоэластическая 7, 11, 29, 55
пластическая 29
упруrая 7, 11, 28, 29, 37, 52, 58
Диаrрамма
дифференциаль HO Tep мическоrо
анализа 13
скоростей в экструдере 109
Дилатантные жидкости 29, 30, 34
Дина и Старка метод определения
влаrи 81
Дисперсность
полимерных материалов 82
пресс материалов 80
Диссипация энерrии вязкоrо течения
29
Дифлон, кривая Тfчения 38
ДифференцИ JfЬНО 1'ермический aHa
лиз 12 14
Диффузионно адrеЗИОНIIые процессы
86, 87
291
Длина калибрующеЙ насадки, расчет 147
Дозирование
пресс-материалов 251
при литье
реактопластов 272, 273
термопластов 2UO 202
таблетированных материалов 84
Домены 16, 18, 19, 231 Z4, 36
Дополнительная усадка 76
Доработка изделий' 87, 88
Дорн 1331 1351 136, 137, 143, 159, 164,
1 5
Дробеструйная установка 283, 284
Дросселирующий режим работы экс-
ТРУАера 1211 1 2
. .
Жесткоцепные полимеры 19, 21
)К Koe фазовое состояние 16, 19 21
)Кидкокр исталли ческое фазовое со-
стояние 16, 18, 19
ЖИАКОСТИ
Jlилатантные 29, 30, 34
вязкие :l9, 30
вязкопластичные 29, 30
вязкоупруrие 29, 58 60
неньютоновские" 245
ньютоновские 29, 30, 31, 46
псевдопластичные 29, 31 35, 245
тиксотропн е 29
3аrрузка материала в пресс форму 251
Закалка 25
... Закрепление заrотовки при формо-
вании 225
Закрытие пресс формы 254, 255, 256
Замороженная кристаJlлическая CTPYK
тура 8, 13, 2о, 26
Зона (ы)
выт ки пленки 162, 167, 168
экструдера
дозирования 119 130
заrрузки 104 112 ,
плавления 112 119
Запаздывающая упруrая деформация
см. НЫСОКОЭ.'1астическая деформация
Запорный клапан 2U 1, 202 '
Зародыши кристаллизации 26, 27
Извлечение изделия из формы 194,
195, 212 214
ИЗАелия из
. реактопластов 245, 247
стеКЛ080JlОКНИСТЫХ материалов 247
Изделия, изrотовляемые
вакуумформованием 233, 235
в закрытых пресс формах 255
в OTKpЫT -':' ,c 'формах 254
, R n{:;(tзаi<рытых формах 255
выдуванием 180, 181
l аландрованием 237, 239
компрессионным прессованием 245
292
Изделия, изrотовляемые
ЛИТЬ.евым прессованием 245
литьем под давлением 13, :llti, 245
пневмоформованием 232 I
формованием из листовых MaTe
риалов 223
штампованием 231
экструзией 103
Изотермическое течение 42 54
в межвалковом зазоре 240 243
Изотропность 20
.; Индекс расплава см. Показатель теку-
чести расплава _
ИНДУКЦИQННЫЙ период термодеструк-
ции 15
l'Iнжекционное прессование 216
УIнфракрасный HarpeB 100, 225; 226
алаНдрование 236 244
термопластов с повышенной влаж
ностью 81 ·
Калибрование труб 135, 136, 142 148
вакуумное 1 Ь5
по внутреннему диаldетру 148
по наружному диаметру 143, 145
расчет параметров 150 156
.с плавающей проб кой 145
Калибрующая rильза 146
Калибрующие насадки 144 148
вакуумные 146
из пластин 146
подачей воды через дренажные
отверстия 144, 145
КаНа8ца метод 72
КаР2ина и СЛОНUМСКО20 модель 60
Квазикристаллическое состояние 25.
Классификация методов переработки
пластмасс 85 102
l(ОЛJIектор расплава 172, 173 '.
Компрессионное прессование 244, 245,
249 256
текучесть по Рашиrу перерабаты
ваемых полимеров 72
технолоrические параметры 26
272 '
усадка изделий 76, 77
Конформация маКРОNолекул 23, 24,
56. Ь 7, 60
Коробление изделий 192, 210, 211
Коэффициент
анизотропии усадки 220
вытя)кки 160, 162, 163, 178 180,
229
влияние на прочностные свой
ства 180 .
использования машинноrо времени
260, 263
неоднородности 92
передачи давления 106
Пуассона 65
«разбухания» струи 63
Коэффициент
раздува 160, 161, 162, 163, 191
теплопроводности rранул 111
трения полимеров 104, 105,
зависимость от температуры
насадки 144
уплотнения 83, 84
элаСтическоrо восстановления 62,
63, 65, 66
Кремнийорrанические связующие 244
Кривые течения 38, 39,,40, 74, 150, 151
пресс материалов 245, 246, 268
Кристаллизация 162, 163, 1681 169
из расплава 16
на подложке 26
параметры 211, 212
полупериод 212, 213
при переработке полимеров 21 28
холодная 25
центры 16
. Кристаллизующиеся полимеры 7, 19,25
особенности строения 16 21 '
переработка
каландрованием 239, 240
формованием 223, 224, 230
экструзией 113
усадка при литье под давлением
7 , 79
Кристаллиты 16, 17, 18, 19, 20, 21, 35
Кристал ическая структура полиме
ров 18, 28
Кристаллические полимеры 6, 9
диаrрамма дифференциально тер
мическоrо анализа 13
наrревание при формовании 226
строение ламели 1/
структурные превращения 20
Кристаллическое фазовое состояние
16 1
Крутящий момент в каналах шнека
114, 117, 118
Куатта поток 129
Лавсан, кривая течения 38, 39j
Ламели 16, 17, 18, 20, 21, 22, 27
Линия крисtаллизации 162, 168, 169
Линии HenpepblBHoro n рессования
260 263
Линолеум 237
Листы, получение каландрованием
237 240
Литники 214, 215, 216
Литниковая система 267, 268
ЛИТ1iИковые каналы 20 1 203, 211,
213, 167 ,
Литьевое прессование 244, 245, 246,
256 260 .
текучесть по РаШU2У перерабаты-
1Ваемых полимеров 72
технолоrические парамеlРЫ 263
272
Литьеное п рессование
технолоrические режимы 253
усадка изделий 76, 77
Лить е под д авлением
влияние удельноrООбъема мате-
риалов 83
показатель текучести расплавов
перерабатываемых полимеров 70
расчет температуры расплава 1511
152
реактопластов 244, 245, 246, 272
277
структура полиамида 24
термопластов 198 223
с повышенной влажностью 81
усадка изделий 76, 77, 78, 80
Лоджа формула 62
11'1 ак- Келвu 'классификация методов lIe
реработки пластмасс 85, 86
Максвелла модель 58, 59, 60, 65
aMxeeoвa и Fuнз6УRzа уравнение 107
Матрицы 230, 231, 32, :l33
Мrновенная упруrая деформация 28, 29
Меламиноформальдеrидные СВЯЗУlOщие.-
244
Методы определения
влажности l
времени отверждения реактопла
стов 72 7b
rранулометрическоrо состава 82,
83
насыпной плотности 83
размеров rpaHY л 83
усадки 80
Методы переработки - пластмасс. КЛас
сификации 85 89
Методы формования 230 235
Мех ани ческая обработка издели й.i1.,из
пластмасс 277 286
Модели вяз коупр уrи х жидкостей 58........
6u
Молеку лярно массовое распределение
38
Моноклинная упаковка макромолекул
18 , 19, 28-
Мочевиноформальдеrидные связующие
244
Мутность пленки, зависимость от yc
ловий формования 160, 161
Н аrревани
л стовой заrотовки при формова-
нии 225 228
пленки перед ориентацией 178, 179
полимерных материалов 97 102
при нестационарной теплопереда че
102
Надмолекулярные структуры 21
aMOTKa .
пленки 165, ..L66, 177 180
полотна при каландровзнии 240
iз
Наполнители пресс материалов. 99, 244
Направление скоростей в канале шнека
122
Напря)кение сдвиrа 24, 29 31, 71,
73, 74, см. также Нормальные Ha
пряжения сдвиrа
в канале шнека 117
в пластометре 73
в плоскощелевом канале 53
в цилиндрическом канале 52
критическое 55
на поверхности цилиндра 48
при каландровании 238, 239
при течении пресс материалов 246,
247
эпюры 123
Насосный режим работы зоны дози
рования 120
Насыпная плотность 83, 84, 110
Неньютоновские )кидкости 245
Необратимая деформация см. Пласти
ческая деформация
Нестационарная теплопередача 154
Неустановившееся течение 51, 52
Неустойчивое течение расплавов поли
меров 54 56
HOMorpaMMa для расчета
времени охлаждения 154
температуры расплава термопла
СТов 150, 151, 239
Нормальные напряжения сдвиrа 33,
61, 64, 65, 67, 184 186
первая разность 66, 68
при литье 206
при экструзии 154, 155
Н уссельта критерий 169
Ньютона уравнение 33
Ньютоновские )кидкости 29, 30, 31,
46
Ньютоновские области течения 31, 32,
34, 35
ОблоЙ 255, 257, 282 284
Объемные характеристики полимерных
материалов 83, 84
Объемный расход расплава 204
Однородность полимерных материилов
82
Оправка для литья под давлением
]95 197
Оптимальная температура шнека 105
Орrаническое стекло см. Полиметил
м:етакрилат
Ориентация
маКРОМО.,ТIекул O, 21, 141, 142,
205, 227, 229, ?39
пленки 162 1б5, 177 180
Орторомбическая упаковка MaKpOMO
лекул 17
ОСfl1вальда уравнени 34
ОТЛ{I{ r 26: 27 .
294
Относительное уДлинение 138, 139,
140, 176
Отверждение термореактивных Ma:re
риалов 99, 100, 252, 264, 265
Охла)кдение
изделий 192 194, 210 212, 230
пленки 162 165
полотна при формовании 240
расплава 175 177
труб 149
Пакетные кристаллы 23, 25
Параметры кристаллизации 211, 212
Пауэлла ЭЙРUН2а уравнение 35
Пачки 19
Перепад давления
в литниковой системе 268, 269
в формующей rоловке 155, 156
Петлеобразные участки макромолекул
17
Пистолет для очистки пресс форм 254
Плавление полимеров 112 119, 200
202
Пластическая деформаци 29
Пластометр 72 74
К анавца 72, 264, 265
Пленки, получение
каландрованием 237 240
рукавным методом (раздувом)
156 180
щелевым методом 170 180
Плоскощелевая rоловка 172 175
Плотность
изделий из пресс материалов 247
полимеров 27, 78, 79
пресс-порошка 84
расплава полимера 217, 218
тепловоrо потока трения 107, 108
флуктуационной сетки 57
Пневматический смеситель 91, 92
Пневмоформование 224, 232, 233
в матрицу 232
в матрицу с вытяжкой заrотовки
толкателем 232, 233
Подrотовительные операции к пере
работке полимеров 85 1 02
Подпрессовка 248, 249, 251, 252, 257
Показатель текучести расплава 69,
706, 199, 223
Полиамид(ы)
кривые течения 38, 39
кристаллизация 27
параметры 212
стеклонаполненные 278
структура 18, 24
температура плавления 212
температура стеl}лования 212
удельный объем 79
экструзия 151
ПоливинилидеНфТGрид, структура 18
Поливинилфторид, структура 18
Поливинилхлорид
аномалия вязкости расплава 39
выдувание изделий 181
высокочастотный HarpeB 98
каландрование 237
коэффициент трения 144
кривые течения 38, 40, 150, 151
обработка резанием 280, 281
стр уктур а 18
экструзия 112
энерrия активации течения 41
Полидисперсность см. Однородность
полимерных материалов
Поликарбонат
аномалия вязкости расплава 39
кривая течения 38
кристаллизация 27
кристаллическая структура 17
влияние влажности при nepepa
ботке 83
выдувание изделий 181
вязкость расплава 39
экструзия 150, 151
Поликонденсация
при отверждении пресс материа
лов 248, 249, 251
:)нерrия активации 263
Полимеризация в формах 86, 87
Полиметилметакрилат
литье под давлением 205, 217
наrревание 100, 101
заrотовки перед формованием
225
удельный объем 79
экструзия 150, 151
Полиморфизм 18
ПОЛИПРОПdлен I
аномалия ,qЗ.кqст . '39
выдува;Iие изделий 181
каландрование 240
кривые течения 39, 150, 151'
wоэqxpициент эластическоrо BOC
" становления 66
параметры кристаЛJlи .ации 212
I предел текучести 27, 28
степень кристалличнссти 27, 28
структура 18
",p Т1o:,aTYp.a плавления 212
. ....... ..ro. _ п
темпер атур а С'l'еКЛО}ji1i{d'я 1
формоваlfие 223
экструзия 112
энерrия активации течения 41
Полирование изделий из пластмасс
('\О- N 86
\ JD ,
Полистироо
аномалия вязкости расплава 39
влияние давлен'ия на вязкость
расплава 42
измене и е ПЛОТ.!Iости с ТСl\fпера
турои 78
ИЗ0такти че('кий
I
параметры кристаллизации
212
температура плавления 212
температура стеклования 212
коэффициент трения 144
кривые течения 38, 39
.питье под давлением 205
охла>кдение под Д3Dлением 6, 7
структура 18
ударопрочный 287
удельный объем 79
энерrия активации течения 41
Полиформальдеrид
аномалия вязкости расплава 39
кривые течения 38, 150, 151
Полиэтилен
аномалия вязкости расплава 39
влияние давления на вязкость
расплава 42
ВХОДовый поправочный коэффици
ент 53
выдувание изделий 181
rранулированный, насыпная плот
ность 110
зависимость усадки от давления
и температуры 220
каландрование 237, 240
кривые течения 38, 39, 150, 151
коэффициент
передачи давления 106
трения 105, 144
эластическоrо восстановления
66
кристаллизация 24, 25
. на ПОДЛО)l{ке 26
параметры 212
получение
пленки 161
труб 1 , 141
прочностные . -.. :.. '.,{. . е. n''lQ . :'.Y . "/'
разбухание экструдата 185
степень криста личности 17
степень ориентации 179, 180
структура 17
сферолиты 22
TeMIJepaTypa плавлениЯ 212
температура стеклования 212
у дель ный объем 25, 79
.Упак-т макромолекул 18, 19
формоваНh .3, 230
экстр уз ия 112,
энерrия активации течения-41
По/лиэтилентерефталат (см. также Лав
сан)
влияние r JI_ажности при nepepa
ботке 83
вязкqсть расплава
кристаллизация 25, 26, 27
наrревание 100, 101
параметры крист.аЛ.тIизации 212
-. lt. t- '"'('-ТЬ ':.'/ .):"l.I.
пЛОТh 4I : JJ I ll. ( !,.;, - --
! J5
Полиэтилентерефталат ( M. также
Лавсан)
степень кристалличности 26
температура плавления 212
температура стекло аня" 212
формование 223
экструзия 151
Полиэфирные связующие 244, 249, 252
Полузакрытые пресс формы 254, 255
Полупериод кристаллизации 212, 213
ПолvстационарныА ЛИТЬевой блок 257,
258
ПОРИСТОСТЬ полимерных материалов,
влияние на экструзию 110, 111
Поток Ку.9тта см. КУ9тта поток
ПОТОI< утечек в процессе экструзии
123, 124, 128, 129
пран1Jтля Эl1.ринzа"уравнение 34, 35
Предварительная вытяжка листов при
формовании 228
Предварительное наrревание при ком-
прессионном прессоnании 250
Предельное напряжение текучести 29,
30 .
Пресс':кант 189, 190, 191
n pecc матери алы
влажность 80, 81, 82[
марки 253, 263, 264
оптимальная влажность 82 I
отверждение 1 О
прессование 253
сОдР.ржание.... летучих веществ 80.....
82, 248
состав 244
таблетирование 95 97
Лрессование '" ,
инжекционное 216
компрессионное см. Компрессион-
.......... /
ЯО ПрСССОDОНII .
!1ресс матери;:tлов: технолоrИЧ(8
,,- ('кие режимы 253
реактопластов с повышенной влаж-
ностью 81
. термопластов"с"повышенной влаж
ностью 81
Пресс порошки.
кривые т чения. 268
, однородность 82'
Пресс Форма(ы) ;
",r/ '1/I"r t' .... . " - .
. ...:ЛОСНЫt: ....., i:tМКОВЪJМИ зажимами
260, 262 - .
Д;Iя измерени я текучести по Р а-
ши2U 71"
закрыТые 254. 255, 25
к; ({И1i 254 256
итьевые 2f17 259
открытые 254, ?55
мноrоrнеЗДные 213,1;215, 235, 236,
251
r\ '1iJljAi:«a 25? 254. - !j7. 2!1Р
w.:.цочнс'{' . , . . -' !'r'....,"f
ТТОЛУ :Jкрытые 2 "
296
Пресс форма (ы)
размыкание 252
с веохней заrрузочной камерой
257, 258, 263
с инжекционным прессованием 216
с нижней заrрузочной камерой
258, 259, 261, 263
стационарные 252, 253
съемные 252, 254, 257, 259, 261,
262
Прессы автоматы 251
Прибор(ы)
Дина и Старка 81
для дифференциально термическо
ro анализа 12
для измерения показзтеля теку..
чести расплава 69, 70
ля определения rранvлометриче-
cKoro состава 82, 83
для термомехаиически х испыта-
ний 1 О. 11
Приливы 194, 195
Провисание листа при формовании
226, 227
Продолжительность вязкотекучеrо со-
стояния 73
Производитель ность
arperaTa для получения трvб 132
ыдувноrо arperaTa 182, 183
J"зла пластикации 202
qкструдера
. в зоне зэrрузки 108, 109, 110
влияние на мутность пле.!'ки
161
зависимость от давления.
iз rоловке 124
в зоне заrрузки 128
при rr "'Н:'НИR пленки 169
,расчет 128, 129 .
I1ространственная структура 30
Проходные vчастки макоомолекул 16,
17, 20, 23, 27, 35, 36
Прочносrь
и елий
влияние давлен я при кри-
сталлизации 25
зависимость от температуры
" 05 ...
_ расп.тrgва li '-
из - пресс материалов 247.
из реактопластов.82, 274
пленки 176 .
труб, зависиМОСТЬ от скоростиlвр а-
щения дорна 140, 141
Псевдопластичные жидкости 29, 31
35, 245
П yaHCQH 254, 255
Пцассона коэффиuиент 65
Пульсация расплава 55, 56
./
Ра'з 11itё"9КС1 рvnата 185
РззJ'еры rранул 83 .
Разнотолщинность
изделий пр и формовании 227, 228.
229 .
'пленки 158, 159, 239
реrулирование 188
Разрушающее напряжение
зависимость
от давления в форме 217
от коэффициента раздува 162.
163
от степени вытяжки 139, 140
от температуры ОХЛ8ЖАения
, 176
изделий из полиметилметакрила-
та 217
стеклопластиков 97
Раскрытие формы 194, 195
Расплавы полимеров
движение в межвалковом зазоре
240 244 .
основы реолоrии 28 68
Распределение '
Аавления
в зоне дозирования 120
между валками 93
напряжений ..
по толщине трубы 14f
при течении 43. 44
скорости по rлубине формующеrо
зазора 142
температуры в расплаве' 113,}.114.
115
Распределитель расплава 159
Распределительные каналы 136
Раст жение рукава пленки, расчет Па-
paMeTpo 167 170
РаСХОА paC:PдM , iраввеШ!е 45) 4!'
Расчетнuе :Д8вление lUнека 107
Рашuеа метод 69, 71
РеаК'l'опласты см. 'Термореактивные по-
пимеры -.
Реrулировочные вкладыши 172
Резание пластмасс 278! 279, 280, 281
Резиты 247
Релаксационные процессы 56 61
Реоrониметр 68
Реолоrическая номоrрзмма см. Номо-
rpaмMa для расчета температуры
расnnава термопластов
Реолоrические уравнения 32 35, 39;
40, 47. 49
Реоnоrия раСпnавов полимеров 28 68
Ротационные вискозиметры 15
Самозапирающееся сопло 201, 202
2т '
Самопроизвольная вытяжка 186. 187
Сверnение пластмасс 285 .
Свободное BЫ YBa 1""o/"2::S:! I
Свойства Пu.,1Н t' 21 28
Ситовый анал 02, 83 .
Скорость
Деформации при ориентации 17
каландрования 238, 239,""
кристаллиз ации 211 '
отверждения пресс материалов 248
ОТВОАа труб lЬ3. 154
охлаждения полимеров при пере-
работке 25
расплава в межвалковом зазоре
каландра 239, 242
роста кристаллов 213
иrа 29 31, 45, 46. 70
влияние на разбухание экс-
трудата 185
критическая 55
при вальцевании 92
расчет 156
реактопластов 268
уравнение 47, 48
течения
в зависимости от rра,tLиента
давления 121
эпюры 123
Смешение 90 93
Смыкание"формы 188.......191 '....202', 20 ,
251 -
Сопло с по,tLпружиненным клапаном
215 .
Сополимеры стирола. литье ПОJl АаВле--
ни ем 205
Стекловолокнит 251
Стекnообразное состояние 5, 6. 8
СтепеllЬ
вЫтяжка
зависимость от температуры
227
расплава 138, 139
'J!Р Р 3i!..Л И'ВОСТИ 13, J7 1 26,271.28
ориентаD.И .17 1.. , _ '.......,
отверЖJIения 240
Стtфан,а БОЛЬЦAtан,а постоянная 100
Структ-ура
кристаллитов 16.
полимеров 21 2a
Структурные превращения 20
Структурообразователи СМ. Зародыши
кристаллизации
Съемный пакет пресс-формы 257, 258
Сухое смеwе ие 90 92
Сферолиты 21, 22. 23, 28
Сыпучие материаnы '83
/'
/
Таблетиропание 95 97 -
Таблетированные пресс маТериалы 251
Таблетируемость 84 J
Таблетмашины 95 9!J
Текуч ь 69 72 1/'...... 71
т рм-оплаСIо..в..f=: 71 ?? 271
..... olWr<UJ.I..:ay O , "..... 51
пре\:с материалов 71, 72, 2
297
eMnepaTypa
rоловки 138
каландрования 239
HarpeBa пресс-материалов 73, 74
насадки 144
отверждения пресс материалов 249
охлаждающеrо валка 176
переработки полимеров 13, 14,
15, 153 '"
"
плавления 7, 9, 21, 212
предварительноrо наrревания при
прессовании 263, 264 ,
прессования 252
пресс формы при литьевом npec
совании 253, 256
.---- . ;:асллава l50 153, 205
стеклования 5, 6, 13, 21, 212
текучести 13, 14
термодеструкции 13, 14
формования 226 228
формы 192, 217, 221, 230
хрупкости 6
Тензор скорости деформации 32, 33, 34
плоuроводность полимеров 101, 102
Термическая усадка
. по толщине трубы 138, 142
при формовании 227, 228
J'ермомеханические кривые 5, 6, 9,
10, 11
Термомеханический анализ полимеров
"",' -g 12
-. Те)мообработка
влияние на свойства пол меров
27, 28
. при формовании 76
Термопластичные полимеры 10
вырубка 284 \
.. кр пзые течения У"
'':'..;..U'tъ . ,r " ием UL8 23.
... метоДЫ переработки '8.7 .
оптимальная BJl ажн<1сть 82
переработка в пленку 156 180
Термопласты см. Термопластичные no
лимеры
Термореактивные полимеры
влияние различных фа'кторов на
процессы пер работки 21
вязкотекучие СВQйства 72 7 4
кривые течения 26
литье под рqвлением 272 277
_ .... MP'r.O", переработки 89
наrревание 98, 99
отвсрждение 72 75
реолоrические свойства 1 О, 245
TaHreHC уrла диэлектрических по
T p 75 ,
repl\"OpcaKTii \<OCTb 75
244 277 \T . пресс.матеРИ:.l.JIЫ
т C p Mo p eaKTon ac':'ы '. _
C' " ' T1"P.
ные полимеры \ ·
2'Е:
Термостойкость полимеров ДлителЬная
. 14, 15 .' ,
Технолоrические свойства пластмасс
68 85
Технолоrичность 68, 69
Течение
полимеров 8, 9, 28 68
пресс материалов 245
расплава
в зон дозирования экструде-
ра J 19 130
в изотермических условиях
116
I
в цилиндрическом канале 42
46
KpyroBoe 64 68
между валками 93
между вращающимися цилин-
драми 46 48
между пластинами 48 51
установившееся 35 42, 51, 52
суспензии 30
энерrия 41, 42, 152
эффекты б.l 68
Тиксотропные жидкости 29
Точечное литье 214, 215, 216
Точе ные литники 209, 214, 215
Триклинная упаковка макромолекул
18, 19
Трубы
двухслойные 137
из полиэтилена 147
калибрование 142 148
маркировка 149
получаемые Э1\струзией 130 156
упаковка 150
,VJ-fН:!! :':!ЬJй .и;;r. .. . ,2 J 4 .2J6
-,
Yr ловая скорость шнека, влияние на
производительность 111
Уrловые формующие rоловки 132, 135,
136, 147, 158, 159, 184, 185
УДаление литников 282 284
Удаление облоя 282 284
Ударная вязкость 97, 217
Ударопрочный ПОЛИСТИРОJJ, переработ-
ка каландрованием 237
Удельная мощность экструдера 105
Удельное давление
,прессования 251, 252 . .
при литье под давлениен 223, 246
при. литьевом прессовании 253,
256, 260, 271
УделЬНЫЙ объем 6, 7, 25, 79, 83
Узел пластикации 202 ,
Упаковка макромолекул 17, 18, 19, '28
Уп акоВ ка
пленки 165, 166, 177 180
труб. 1 L ЧЪ, 1 () '.
'J1}Jyl'a}t деформаци.'l, 1.1-; 28, 29, 37,
52, 58
Уплотнение пресс-материалов 95 97
Усадка
изделий из пластмасс 76 80, 191,
192, 217 220, 227, 228, 230
наполненных пресс материалов 77,
78 ." .
пленки при каландровании 239
полимера при охлаждении 146
реактопластов, влияние дисперс
ности 82
труб 133, 134, 138, 141, 142
Усилие
прессования 255, 256, 258, 259
смыкания 203, 259, 261
У становившееся течение расплава 35
42, 51, 52
фазовыIe состояни я полимеров 16 21
Фибриллы 16, 20, 21, 22, 23
Фибриллярное строение полимеров 20
Физические состояния полимеров 5
Физические характеристики полиме
ров 5 28
Фильерирование 245
Фильтрующий пакет 160, 161
Флуктуационная структура 36, 37
Фойхта Кельвuна модель 58, 59, 60
Форма для выдувания 181
Формование 188 191, 229
комбинированное 235
листовых материалов 223 236
иа, поточных лиИ'иях 235; 236"'"
пленки 172 175
полотна 238, 239
пр филя трубы 132 142
рукава при получении пленки
158 161
"с предвар'}1тельной вытяжкоЙ 228
технолоrи 224 230
толкателеи "23Q '2,З2 I
фи и:Ко химические осночыl 'CЪ?3..1.. 1
Формующие rоловки 132 142, 158
160, 37 ,
Френкеля' и Эйрuнzа теория 36
Фтор6'I1ласт, инфракрасный HarpeB 100
Фурье критерий. 102, 115, 153, 154;
169, 222, 265, 266
Целлюлоза, фазовые состояния 21
Центры кристаллизации 16
Цикл диаrрамма литья под давлением
203, 204, 209, 274
Шведова БеН2а},tа тело см. Вязко
пластичные жидкости
Шероховатость поверхности труб 144
«Шиш кебаб» 23
Шлифование плаСтмасс 281, 282
Шнековые смесители 238, 239
Шнековый экструдер 104 130
Шприцевание 96, 97, 245
Штампование 7, 224, 230 232
Экструдер(ы)
дисковый 68, 104
рабочие зоны 103 130 \
с винтовыми канавками на повер .
,
ности цилиндра 111, 112 )
характеристика в различных ре\-
жимах 122, 123 ;
шнековый 104 130
Экструзия l03 180
влияние удельноrо ?бъема MaT,
риалов 83 .
показатель текучести расплава ne
рерабатываемых полимеров 70
структура пленок 18
термопласто'в с повышенной вла)к-
HocTыo 81
технолоrия производства
пленки 156 180
труб 130 156
Эластическая турбулентность см. He ·
устойчивое течение расплавов no
лимеров
Эластическое восстановление сfpуи
62 67, 185, 18 ,
Энерrия активаЦИ';i А 1 T J1.-, ,. 6.З..
Эпоксидные связу ие 244, 249,\ 180
"ЮРЫ
" " \ "
напряжен ) сдвиrа 123 :<'
скоростей :r: чения Bi RCМ 18.
Эффективная ВЯ i.Qсть .'. .., 182
152, 153 / : I . --:,,!&4
Эффекты при теченlJ . 188
Меров 61 68 192"
194
19
196 ..
t
· 196
оrЛАВЛЕНI1Е
Предисловие 3
Часть первая. ОСНОВНЫ! .ИSИК".ХИМИЧ СКИЕ, РЕолоrи.. 5
ЧЕСКИЕ И ТЕхнолоrичес и! ХАРА ТЕРИСТИКИ ПОЛИМЕРОВ
rлава 1. РОЛЬ И ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
ПОЛИМЕРОВ
1.1. Использование термомеханическоrо и дифференциально-тер l
мическоrо анализа для оценки перераба ваемости полимеров
1.1.1. Термомеханический анализ полимеров .,
1.1.2. Дифференциально-термический анализ полимеров
1.1.3. Длительная _ термостойкость полимеров
1.2. Особенности строения кристаллизующихся и аморфных поли
меров '
1.3. Влияние условий:пеt>еработки на структуру и свойства поJiи
меров
5'
5
, I 9
t .12
14
16
21
rAtJ8tJ ,2. OC OBЬ РЕолоrии РАСПЛАВОВ ПОЛИМЕРОВ 28
2'j . Вязкие жидкости 29
2.2. Закономерности сдвиrовоro установившеroся течения распл , 35
вов полимеров _
2.3. Изотермическое УC'r.ановившееся течение аномально вязких t 42
жидкостей в цилиндрическом канале
2.4. Изот рмическое установившееся течение расплава полимера 44
между вращающимися цилиндрами
2.5. Изотермическое установившееся течение расплава полимера. 48
между пластинами
2:6. Изотермическое течение расплава полимера в канаnах при Ha 51
личии входовых потерь давnенИя . . . ,
2.7., Неустойчивое течение расплавов полимеров (эластическая тyp 54
\ 6улентность) i
2.8: .ВЯЗКОУПР Rе свойства в реп ксационвые ;процесcьt В'\поnв- 56
",;, ю!рах, - , r , " . _ _, -
.., ме\ 2. 9, Эффекты, ОЗRr..IIOЩВ. при течени и JI BOB поnимеров "'" 61
, опт . ,/. 7 .
-, , -,' . ." .- ,
переРЦ "'F:ХНОЛОI)1ЧВСКИВ С80АСТВА ПЛАСТИЧЕСКИХ -68
rермоплас ( t .
лимеры" ·
r, юреактивн '19' и ее использование в 'l'eXнолоrии перераООтки ПJIаС1'- 69.
.... влияние разл .'
процессы пе терМОПJlаствчвых ПOJlвмеров 69
вязкотекучие с терморе8ктивиыx пресс-материалов 71 .
КРИВ. е теченm e визкотекучих войств и B eм HB QТверждения 724
литье под .П' aктвBвыx матерИ8JIС?В по дy Канавца
\.j".з'. , . ,, ие времени отверждеИВfI при прессованив стандарт.. 74 1
НЫХ обраЗJ10В тepMopeaктв'Bныx материапов
3.4. YcaAKf' ИЗД '7,й из ппа"Стм8СО 76
3.4.1. УсадКа иэд$JIИИ из peaK ,., !:1i>B .. '16 8 "
3.4.2. Усадка издЬий из термопnастов · 7
3.4.3. Методы определении Iуса.ри 80
3.5. Содержание влаrи в nетучих "веществ 80
3.6 Irранулометрический состав 82
3.1. Объемные xapaKтepgCтaKII 83
38. Таблетируемость 84
300
Часть вторая. ТЕхполоrИЧЕСf<ИЕ ПРОI(ЕСС I ПЕРЕРА60ТКИ' 85
ПЛАСТМАСС
rlllJea 4. КЛАССИФИКАЦИЯ
НЫЕ ОПЕРАЦИИ
МЕТОДОВ И
ПЕРЕРАВОТI<И
подrОТОВИТЕЛЬ-
ПЛАСТМ СС
\
.4.1. Классификация метоДОИ переработки пластмасс
4.2. Смешение '
4.3. rранулирование полимерных композиций
4.4. Таблетирование
4.5., Методы наrревания полимерных материалов
rЛl18fJ 5. изrОТОВЛЕНИЕ ИЗ} ЕЛИй 1:'13 ПЛАСТМАСС МЕТОДОМ
ЭКСТРУ311И
" ,
5.1. 3акономерности движения полимера в шнековом экструдерt
5.1.1. Движение полимера в зоне заrрузкп
5. t .2. Движение полимера в зоне плавления.
5.1.3. 3акономерноrти теqения расплава в зоне дозирования
, Технолоrия пооизводства тn vб ме тодом экстоvзив
· 5 2.1. llлlfвление полимера и rомоrенизация расплава
. 5.2.2. Формование профиля трубы
5.2.3. Калибрование труб
5.2.4. Охлаждение труб
5.2.5. Маркировка и упаковка труб
5.2.6. Расчет технолоrических параметров процесса .
.5.3. 'I:ex1Lолоrия прокзводства пленки pYKaBHb ThLJs1e:rn nll
5.3.I llодrотовка сырья, плавление rранул и rомоrен,:, ация рас-
плава
5.з.i. Формование рукава
5.3.3. Ориентация и охлаждение пленки
5 з.!4. Ha .Q..r упаковка и контроль качества пленки
5.3.5 - Pa eT параметров процесса
хнолоrия пооизводства пленки щелевым MeTOJtOltJ
5.4.1.' litlIавление, rpt111Y"1 и r омоrенизация расплава
5.4.2. Формование полотна
5.4.3. Охлаждение ПJIенки
5.4.4. Ориентация, ,намотка R упаковка пленки
rAlJ8tl 6. изrОТОВЛЕНИЕ ПУСТОТЕЛЫХ ИЗДЕЛИЙ ВЫДУВА.
НИЕМ
f)
6.1. Изroтoвление издеJIИЙ выдуваиием ИЗ трубча1'ыx 9аroroв9"
6.1.1. ПЛавление rрзиу л и rомоrеиизаЦИJl раСПJlава .
6.1.2. Выдавпиванпе трубчатой заi-oтoвкв .
6.1.3. Смыкание формЫ .R формование ,ЗДeJIИJl
6.1.4. Охлаждение изделия .
6.1.5. Раскрытие формы R извлечение изделия
6.2. ИзrОТОВJIение изде.,IийW'выдуваиием из лиiъев.ЫХ заroтoВОJ
6.2.1. rомоrенизация и ДО ИрОВ,ание раcпnава
6.2.2. Впрыск расплава и. выдувание издепия . .
. ......
.
:; r JUJ8a' 7. изrОТОВЛЕниr; ИЗДЕЛИЙ
ЛИТЬЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ,
/ ,
!3 тзРмеПЛАСТОВ
} I
7.1. Технолоrия литья ПОД 1(авЛе тем
7.1.1. Плавление, r(1моrеНИЗ:l: dЯ и дозирование р'ы плава
\ .......7. J .2. Смыкание формы R :.!' ДBOД узла' впрыска
85
85
90
94
95
97
103
104
104
t 12
119
130
131
132
142
149
49
150
156
1;;7
158
162
165
167
170
17{
172
115
171
- 180
181
182
184
188
192
194
195
196
196
198
-199
200
202
:зn'
7.1.3. Впрыск расплава 203
7.1.4. Выдержка под давлением 208'
7.1.5. Охлаждение изделия 210
7.1.6. Раскрытие формы и извлечение изделия 212
7.1.7. Особенности технолоrическоrо процесса, обусловленные KOH 214
струкцией формы
7.2. Влияние технолоrических параметров на качество изделий 217
7.3. Расчет технолоrических параметров процесса литья под дав- 220
пением
Fлава 8. ФОРМОВАНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛИСТОВЫХ МАТЕ- 223
РИАЛОВ
В.l. Технолоrия формования 224
В.l.1. Закрепление заrотовки 225
, В.l.2. Наrревание листовой заrотовки 225
В.l.3. Предварительная вытяжка листов 22В
В. 1.4. Формование изделия 229
8.1.5:' Охлаждение изделия 229
8.2. Методы формован я 230
8.2.1. Штампование ' 230
R ,2. Пневмоформование 232
В.2.3. Вакуумформование . 233
В.3. Формование на поточных линиях 235
Fлава 9. изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ 236
КАЛАНДРОВАНИЕМ
9.1. Технолоrия каландрования 237
9.1.1. Смешение компонентов и наrревание композиции 237
9.1.2. Формование полотна 238
9.1.3. Охлаждение и намотка полотна 240
_2.. Закономерности движения расплава полимера в зазоре между 240
валками " -
fлава 10. изrОТОВЛЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ, ИЗ TEPMOPEAKTylBHbIX 244
ПРЕСС МА ТЕРИА]JОВ
10.1. Роль различных факторов в процессах переработки T pMopeaK-
тивных материалов
10.2. Компрессионное прессование .
10.2.1! Пр ДR8рительное наrреваlIИ матеР,иала
та.2:.i::-Заrрузка материала и смыкание. пресс формы
10.2.3. ПодпреССОDка, Bь дep>KKa под ,давлением, отверждение
10.2.4. Размыкан:ие и очистка пресс форм
10.2.5. Особе ности прессования в пресс формах iJВЗЛИЧНОЙ КОН-
струкции
у 1 0.3. .J1I-::L'I:-ев- )!рессование
l'ПА: ПрессоваНllе". . '=': е. иЙ на .ттиниsrх непре II нu'r() ,- лреССОВdliИЯ
.10.5. Расч т технолоrИ С!\ l{ I '. ..,раметров процесса прессования
10:5.1. Температура преДD8 И1еoi1h -;оrо наrревания '
)0.5.2. Воемя отверждения l;,DИ dмпреССI'ОННОМ пре ссванин
1 J: """'Вреf\fЯ О f Q денИЯ --ki :=-",,""I тьево:м" прес ('оании
10.5.4. Удельное давл !.f... Лltтьевоf!? рСССО,ВаНИЯ
fO 5.5. ' H-аВ€$:Кf:- пресс материа.l,а _ '...
JO.6. Литl{ под даВJlеНиt;d : 'O;)":' l
10.6.1. До;tи ование и Ндlрсвание м териаJIц
245
.
249
250.
251
251
252
254
256
'"260 '
263
263
264
266
271
271
272
272
10.6.2. Впрыск материала 273
10.6.3. Выдержка под давлением 275
10.6.4. Выдержка при отверждении 276
Fлава 11-. ЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЙ ИЗ ПЛАСТ- 277
, МАСС
11.1. Особенности обработки пластмасс 277
11.2. Удаление облоя и литников на изделиях из реактопластов 282
11.3. Обработка изделий из термопластов 284
11.4. Полирование изделий 285
Рекомендуемая литература 287
Владимир rерасимовuч. БортнU1W8
ОСНОВЫ
ТЕхнолоrии
ПЕРЕРАБОТКИ
ПЛАСТИЧЕСКИХ
МАСС
Редактор А. Е. Линчу"
Художник Ю.- и. ДblUllleНIw
Техн. редактор з. Е. Маркова
Корректор А. В. Воробей
ИВ Н2 891
Сдано в набор 14.12.82. ПОДписаНО в печаtь
28.04. 83. M 42214. Формат бумаrи 60 Х 901/18.
Бумаrа тип. Н2 2. Литературная rарнитура.
Высокая печать. Уел. печ. л. 19,0. Уел.
Kp. oтт. 19,19. Уч. изд. л. 21,81. Тираж
11 О 00 экз. Зак. 326. Цена 85 коп. Изд. Н2 1593.
Ордена «Знак Почета» издательство' сХимив».
Ленинrрадекое отделение. 191186, r. Ленин-
rpaA, Д 186, Невский пр., 28.
...
Ленинrрадская типоrрафия NQ 6 ордена Тру-
AOBoro I(pacHoro Знамени 'Ленинrрадскоrо
объединения «Техническая книrа» .им. Евrении
Соколовой Союзполиrрафпрома при rocYAap
ственном комитете СССР по делам издательств,
попиrрафии и книжной торrовли.
193144, r. Ленинrрад, УЛ. Моисеенко, 10.