+7 499 113 71 60
Сертификат
качества
Бесплатная
консультация
Лидер
в области
Связаться

Течение высоконаполненных термопластов при заполнении полости литьевой формы. 3. Охлаждение

Получить статью без сокращений:    info.ib.pkt@gmail.com

 

Проведен анализ явлений, происходящих в формообразующей полости литьевой формы при охлаждении расплава. Показано, что процесс охлаждения изделия зависит как от теплофизических свойств материала, так и от параметров течения расплава, тем самым определяя качество конечного продукта.

The analysis of the phenomena occurring in the mold cavity by cooling of filled and high filled polymers is carried out. It is shown that cooling process of a product depends both from thermal and physical properties of a material, and from flow parameters of a melt, thereby defining quality of an end-product.

 

ВВЕДЕНИЕ

Литье под давлением термопластичных полимеров является технологическим процессом, в котором при формообразовании изделия происходят сложные физические явления.  Качество конечного продукта (как, например, внешний вид, коробление и другие) существенно зависит не только от реологических свойств расплава полимера, параметров процесса в начальный момент времени, но и от изменения этих свойств с течением времени, а именно, при охлаждении изделия.

На стадии впрыска охлаждение материала незначительно и обусловлено лишь процессом течения расплава в полости формы. При достижении максимального давления впрыска начинается фаза выдержки под давлением, где процессы охлаждения доминируют (рис. 1) [1].

Рис. 1. Изменение давления в полости литьевой формы с течением времени:

0-1 — впрыск расплава; 1-2 — уплотнение материала в форме; 2-3 — выдержка под давлением; 3-4 — охлаждение изделия [1].

 

Охлаждение и отверждение материала препятствует течению расплава в литниковой системе и полости формы за счет увеличения вязкости расплава, снижения давления и уменьшения пропускной способности канала.

Качество конечного продукта зависит от кинетики процесса охлаждения изделия внутри полости формы. Слишком долгое время охлаждения приводит к неоправданному завышению времени цикла,  перегреву расплава полимера в материальном цилиндре, проблемному извлечению изделия из формы. С другой стороны, короткое время является причиной  впадин на поверхности изделий, коробления и  повышенной последующей усадки изделий, пластических деформаций при извлечении изделий из литьевой формы.

Как только горячий расплав соприкасается с «холодной» стенкой формы, образуется тонкий поверхностный слой застывшего полимера, препятствующий быстрому охлаждению текущего потока [1]. В короткий момент времени устанавливается  тепловое равновесие между отводимым стенками формы количеством теплоты и количеством теплоты, образующимся за счет внутреннего трения при течении расплава. Однако затем происходит непрерывное охлаждение изделия до температуры формы. Физически время охлаждения начинается с окончанием объемного наполнения полости формы и кончается с размыканием полуформ. Перенос тепла при контакте расплавленного полимера с холодными стенками формы зависит как от теплофизических свойств материала, так и от параметров процесса литья [1-5].

Для простейшего  двумерного описания поведения  материала наряду с законами сохранения массы и количества движения используется закон сохранения энергии. Согласно этому закону, сумма изменений внутренней и кинетической энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе [1,2] :

Где Cm, λm – теплофизические свойства расплава полимера; ρm – плотность расплава полимера, v – скорость течения расплава; τxy – касательные напряжения; x, y – декартовы координаты; t – время.

В данном случае предполагается, что перенос тепла в направлении  x намного меньше, чем в направлении  y (рис. 2).

 

Рис. 2.        Простейшая двумерная модель ламинарного течения расплава с учетом процесса охлаждения слоя полимера на стенках формы [1].

Как только расплав затвердевает в области впрыска или в литниковом канале, происходит прогрессирующая термическая усадка изделия, которая приводит к резкому снижению давления в полости формы.

Чтобы иметь представление об явлениях, происходящих при изменении температуры материала в различных стадиях процесса литья, рассмотрим более детально теоретические аспекты, характерные для этих стадий (впрыска, выдержки под давлением и охлаждении).

Впрыск.  Влияние процесса охлаждения на температуру расплава в период впрыска очень значительно. Если полимер непосредственно на стенке формы уже отвержден, то вблизи центра канала температура расплава достигает максимальных значений.  Толщина граничного слоя зависит как от режимов процесса литья (времени впрыска, температуры расплава и формы), так и от теплофизических свойств полимера.

Расплав полимера в процессе заполнения формы подвергается механическому и термическому воздействию, в результате чего возможно увеличение температуры расплава. При течении расплава в результате охлаждения вблизи стенки формы слои имеют различные скорости сдвига [1,6]. Внутреннее трение, обусловленное вязким течением, превращается в тепловую энергию, которая является  причиной повышения температуры расплава. Температура расплава, в данном случае, определяют выражением [7]:

 

Особенность этого уравнения заключается в том, что оно описывает процесс нагрева независимо от геометрии изделия,  температуры формы и реологических свойств полимера.

Выдержка под давлением и охлаждение.  Наиболее часто эти фазы исследуют путем построения pvT –диаграммы и измерения давления и температуры в полости формы с течением времени [1,4,5]. Особое значение имеет определение момента начала процесса усадки (при достижении атмосферного давления). Путем изменения профиля давления подпрессовки или режимов охлаждения эту точку можно достичь при различных температурах, которые, в последующем, предопределяют усадку изделия.

В данной работе с помощью измерений давления в полости литьевой формы рассмотрены особенности течения и охлаждения наполненных и высоконаполненных полимеров с учетом изменения теплофизических и реологических свойств материала.

 

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Материалы

Исследованы термопластичные материалы, наполненные дисперсными частицами. В качестве матричного полимера использовался полиамид 6 (Ultramid B3, BASF); в качестве наполнителей – оксид алюминия (фирмы ALCOA CL 4400), частицы меди (Cubrotec 5000 фирмы “Schlenk”), феррит стронция (Fa. Nichiben Magnetics PTE Ltd.). Средний размер частиц оксида алюминия составлял ≈ 6.8 мкм, удельная поверхность по BET – 0.6 м2/г. Частицы медного наполнителя имеют форму пластинок со средним размером ≈ 45 мкм. Средний размер частиц феррита стронция составлял ≈ 1.25 мкм. На рисунке 3 представлены электронно-микроскопические снимки применяемых наполнителей.

 

 

 

Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки применяемых наполнителей

Получение компаунда

Дисперсный наполнитель дозировали в двухшнековый экструдер (тип  ZSE 27 HP-40 D фирмы Leistriz AG, Германия, диаметр червяка 27 мм, L/D=40), где происходило смешение с матричным полимером при следующих режимах: температура расплава составляла 280 °C, производительность экструдера – 7 кг/ч. Экструдированные стренги измельчались в гранулы размером 3-5 мм.  Содержание наполнителя варьировалось от 5 до 60 об. %.

 

Измерения коэффициента теплопроводности

Коэффициент теплопроводности материала определяли в твердом и расплавленном состоянии. Принцип измерения в твердом состоянии  основан на определении температуры в образце после выделения определенного количества теплоты от нагревательного элемента, изготовленного в виде тонкой пластинки (Hot-Disk-метод). Изменение коэффициента теплопроводности в зависимости от температуры проводили с помощью pvTприбора  pvT 100 (фирмы SWO Polymertechnik GmbH) в диапазоне температур 20-280°C.

Измерения удельной теплоемкости

Удельную теплоемкость исследуемого материала измеряли методом дифференциальной сканирующей калориметрии в диапазоне температур 20-280°C (DIN EN ISO 11357-1) с помощью прибора типа DSC 7 (фирмы Perkin Elmer).

Исследование процесса охлаждения расплава

в полости литьевой формы

Методом литья под давлением изготавливались образцы в виде пластины 50х50 мм (рис.4)  на стандартной  литьевой машине Demag Ergotec 250-80. Варьировались: толщина образцов (1, 2, 4 мм); давление впрыска; температура расплава (260, 280, 300°C);  температуры формы (60, 80, 100°C). При проведении исследований замерялось давление датчиками давления 1 и 2 на расстоянии 41 мм друг от друга (рис. 4). Скорость впрыска составляла — 50 мм/с, время охлаждения образца – 15 с. По диаграммам измерения давления в полости литьевой формы проводился анализ процесса охлаждения  наполненного полимера.

Рис. 4. Схема образцов для испытаний

Увеличение степени наполнения требует установки большего давления впрыска, а также ведет к росту градиента давления в форме. Для сравнения параметров процесса литья для различных материалов, а также с целью учета этого эффекта введен параметр «относительное давление» pe, равное отношению внутреннего давления в полости формы pw к давлению впрыска p.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Вследствие увеличения степени наполнения полимера твердыми частицами происходит изменение теплофизических свойств материала. Рост тепло- и температуропроводности, снижение теплоемкости приводят к существенным изменениям режимов переработки полимера методом литья под давлением. Скорость процесса охлаждения, зависящая от теплофизических свойств материала и от условий на границе полимер — литьевая форма, оказывает существенное влияние на характер течения расплава и изменение давления в полости формы на протяжении всего цикла литья.

Влияние типа наполнителя и степени наполнения

 на теплофизические свойства

При добавлении теплопроводящих частиц в полимерную матрицу происходит увеличение коэффициента теплопроводности компаунда как в твердом, так и в расплавленном состоянии. При низком содержании наполнителя влияние типа частиц практически незначительно – теплопроводность и удельная теплоемкость компаунда  близки к свойствам полимерного связующего. Однако с ростом степени наполнения материал частиц и их микроструктура оказывает заметное влияние на свойства конечного изделия (рис. 5-6).

 

Рис. 5.        Зависимость коэффициента теплопроводности наполненных полимеров от объемного содержания наполнителя на основе: 1 — оксида алюминия, 2 — феррита стронция, 3 — меди [3].

Рис. 6.        Зависимость удельной теплоемкости наполненных полимеров от объемного содержания наполнителя на основе: 1 — оксида алюминия, 2 — феррита стронция, 3 — меди [3].

 

Рис. 7.        Зависимость удельной теплоемкости наполненного полимера на основе оксида алюминия от температуры: 1 —  ПА 6 + 5% Al2O3; 2 — ПА 6 + 20% Al2O3; 3 —  ПА 6 + 40% Al2O3; 4 —  ПА 6 + 60% Al2O3;

Рис. 8.        Зависимость удельной теплоемкости наполненного полимера на основе меди от температуры: 1 —  ПА 6 + 5% Cu3; 2 —  ПА 6 + 20% Cu; 3 —  ПА 6 + 40% Cu;

 

Рис. 9.        Зависимость коэффициента теплопроводности наполненного полимера на основе оксида алюминия от температуры: 1 —  ПА 6; 2 —  ПА 6 + 5% Al2O3; 3 —  ПА 6 + 20% Al2O3; 4 —  ПА 6 + 40% Al2O3; 5 —  ПА 6 + 60% Al2O3;

Рис. 10.      Зависимость коэффициента теплопроводности наполненного полимера на основе оксида меди от температуры: 1 —  ПА 6; 2 —  ПА 6 + 10% Cu; 3 —  ПА 6 + 30% Cu; 4 —  ПА 6 + 50% Cu

Увеличение степени наполнения приводит к снижению удельной теплоемкости материала. С ростом температуры происходит незначительное увеличение значений удельной теплоемкости. Коэффициент теплопроводности для твердого состояния больше, чем для расплава полимера. Снижение коэффициента теплопроводности имеет место в области температуры кристаллизации, причем с ростом степени наполнения этот эффект становится более существенным (рис. 7-10).

Анализ процесса течения материала в полости литьевой формы

На стадии впрыска повышение температуры расплава за счет внутреннего трения обусловливает, соответственно, снижение вязкости расплава и увеличение скорости сдвига на начальном временном промежутке. Степень наполнения и вид наполнителя оказывают влияние на время, за которое происходит рост температуры. С увеличением коэффициента теплопроводности расплава это время уменьшается. На рисунках 11, 12 представлены расчетные зависимости коэффициента вязкости и скорости сдвига наполненных полимеров в центре полости формы вблизи литника для температуры расплава 260°C, температуры формы 80°C, скорости впрыска 50 мм/с, толщины полости формы 2 мм. Расчеты проводились в результате анализа процесса течения расплава с помощью программы MOLDFLOW® (MPI).

Рис. 11.      Изменение вязкости расплава полимера с течением времени при заполнении полости формы: 1 — ПА 6 + 20% Al2O3; 2 —  ПА 6 + 40% Al2O3; 3 — ПА 6 + 60% Al2O3; 4 — ПА 6 + 40% Cu; 5 —  ПА 6.

Рис. 12.      Изменение скорости сдвига расплава полимера с течением времени при заполнении полости формы: 1 — ПА 6 + 20% Al2O3; 2 —  ПА 6 + 40% Al2O3; 3 —  ПА 6 + 60% Al2O3; 4 —  ПА 6 + 40% Cu; 5 —  ПА 6.

 

Выдержка под давлением. После объемного заполнения полости формы включается давление подпрессовки. Скорость течения расплава для этой стадии значительно ниже, чем в процессе впрыска. Повышения температуры в результате внутреннего трения больше не происходит, в результате чего температура материала постепенно снижается.

На рисунке 13 представлена расчетная зависимость (MOLDFLOW® (MPI)) времени охлаждения расплава полимера в сечении образца в зависимости от степени наполнения. С ростом степени наполнения увеличивается не только вязкость расплава, но и скорость охлаждения, что вызывает значительные трудности при заполнении полости формы, особенно для тонкостенных деталей.

 

Рис. 13.      Время охлаждения расплава полимера в сечении образца толщиной  2  мм (температура расплава 260°C;  температуры формы 80°C) вблизи литника в зависимости от степени наполнения и вида наполнителя:  1 — ПА 6 + 20% Al2O3; 2 —  ПА 6 + 40% Al2O3; 3 —  ПА 6 + 60% Al2O3; 4 —  ПА 6 + 40% Cu.

 

Рассмотрим влияние степени наполнения, температуры расплава, поверхности формы и коэффициента сопротивления формы на процессы охлаждения путем измерений давления в полости формы

Влияние степени наполнения (температура расплава 260°C, температура формы 80°C, скорость впрыска 50 мм/с, толщина полости формы 2 мм):

Рис. 14.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 : 1 — ПА 6 + 50% Al2O3, 2 — ПА 6 + 30% Al2O3, 3 — ПА 6 + 10% Al2O3 , 4 — ПА 6.

 

Рис. 15.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 : 1 — ПА 6 + 50% Al2O3, 2 — ПА 6 + 30% Al2O3, 3 — ПА 6 + 10% Al2O3 , 4 — ПА 6.

Рис. 16.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 : 1 — ПА 6 + 40% Cu, 2 — ПА 6 + 30% Cu, 3 — ПА 6 + 20% Cu , 4 — ПА 6 + 10% Cu, 5 — ПА 6 + 5% Cu, 6 — ПА 6.

Рис. 17.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 : 1 — ПА 6 + 40% Cu, 2 — ПА 6 + 30% Cu, 3 — ПА 6 + 20% Cu , 4 — ПА 6 + 10% Cu, 5 — ПА 6 + 5% Cu, 6 — ПА 6.

Увеличение степени наполнения приводит к значительному снижению времени выдержки под давлением и времени цикла в результате роста скорости охлаждения (рис. 14-17).

 

Влияние температуры расплава (температура формы 80°C, скорость впрыска 50 мм/с, толщина полости формы 2 мм):

 

Рис. 18.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 (степень наполнения 30 об. %) : 1 — 260°C, 2 — 280°C, 3 — 300°C, 4 — ПА6, 260°C

Рис. 19.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 (степень наполнения 30 об. %) : 1 — 260°C, 2 — 280°C, 3 — 300°C, 4 — ПА6, 260°C

Рис. 20.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 (степень наполнения 30 об. %): 1 — 260°C, 2 — 280°C, 3 — 300°C.

Рис.21.       Изменение давления в полости формы (вдали литника) с течением времени при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 (степень наполнения 30 об. %): 1 — 260°C, 2 — 280°C, 3 — 300°C.

Рис. 22.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на феррита стронция и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 260°C, 2 — 280°C, 3 — 300°C.

Рис. 23.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на феррита стронция и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 260°C, 2 — 280°C, 3 — 300°C.

 

Увеличение температуры расплава приводит к незначительному росту времени охлаждения. Как показывает эксперимент, этот эффект зависит от типа наполнителя и степени наполнения. Если для материала на основе оксида алюминия характерно увеличение времени охлаждения (как вблизи, так и вдали литника, рис. 18 и 19), то для материала на основе меди этот эффект менее выражен (рис. 20 и 21). Для высоких степеней наполнения влияние температуры расплава на время охлаждения материала минимально (рис. 22 и 23).

Влияние температуры формы (температура расплава 280°C, скорость впрыска 50 мм/с, толщина полости формы 2 мм):

 

Рис. 24.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 (степень наполнения 50 об. %) : 1 — 60°C, 2 — 80°C, 3 — 100°C.

Рис. 25.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 60°C, 2 — 80°C, 3 — 100°C.

Рис. 26.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 (степень наполнения 30 об. %) : 1 — 60°C, 2 — 80°C, 3 — 100°C.

Рис. 27.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 (степень наполнения 30 об.%): 1 — 60°C, 2 — 80°C, 3 — 100°C.

Рис. 28.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе феррита стронция и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 60°C, 2 — 80°C, 3 — 100°C.

Рис. 29.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе феррита стронция и ПА6 (степень наполнения 50 об. %) : 1 — 60°C, 2 — 80°C, 3 — 100°C.

Для всех исследуемых наполнителей (рис. 24-29) с увеличением температуры формы происходит уменьшение скорости охлаждения полимера. Данный эксперимент коррелирует с данными по определению теплофизических свойств полимеров. С увеличением степени наполнения этот эффект сохраняется. Таким образом, при нахождении оптимальных параметров литья под давлением высоконаполненных полимеров наиболее эффективнее изменять температуру формы, чем температуру расплава.

 

Влияние толщины полости формы (температура расплава 260°C, температура формы 60°C, скорость впрыска 50 мм/с):

Рис. 30.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 4 мм.

Рис. 31.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе оксида алюминия и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 4 мм.

Рис. 32.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 (степень наполнения 30 об. %): 1 — 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 4 мм.

Рис. 33.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе меди и ПА6 (степень наполнения 30 об. %): 1 — 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 4 мм.

Рис. 34.      Изменение давления в полости формы (вблизи литника) при течении расплава полимера на основе феррита стронция и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 4 мм.

Рис. 35.      Изменение давления в полости формы (вдали литника) при течении расплава полимера на основе феррита стронция и ПА6 (степень наполнения 50 об. %): 1 — 1 мм, 2 — 2 мм, 3 — 4 мм.

С одной стороны, уменьшение толщины полости формы приводит к росту гидравлического сопротивления течению материала, резко увеличивает потери давления при движении расплава. С другой стороны, для полимеров с повышенной теплопроводностью резко сокращается время затекания расплава в полость формы в результате быстрого охлаждения материала. Как свидетельствуют результаты эксперимента (рис. 30-35), заполнение полости формы толщиной 1 мм для композиций на основе оксида алюминия и ПА6 — 50 об. %; на основе пластинок меди и ПА6 — 30 об. %; на основе феррита стронция и ПА6 — 50 об. %.уже проблематично. Изменение режимов литья не привели к положительному результату: наблюдаются пульсации, дефекты на поверхности, результаты измерений невоспроизводимы.

  

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Увеличение коэффициента теплопроводности полимера ведет к росту градиента температуры в полости литьевой формы и, соответственно, к росту касательных напряжений. Повышенные значения теплофизических характеристик требует: с одной стороны, увеличение давления и скорости впрыска, с другой — необходимы более высокие температуры расплава и литьевой формы. Однако, как показывает эксперимент, при нахождении оптимальных параметров литья под давлением высоконаполненных полимеров наиболее эффективнее варьировать температуру формы, чем температуру расплава.

Тип наполнителя играет существенную роль как для процесса течения, так и в изменении теплофизических свойств полимера. При охлаждении расплава полимера наблюдается снижение коэффициента теплопроводности в области температуры кристаллизации, причем с ростом степени наполнения этот эффект становится ярко выраженным.

С помощью существующих теоретических и экспериментальных методов, а также используя компьютерное моделирование возможно описать процессы течения и охлаждения наполненных полимеров в полости литьевой формы. Однако при высоких степенях наполнения необходимо учитывать факторы, которые ведут к значительным колебаниям давления в полости формы, а также к «срывам» течения: неоднородность распределения частиц наполнителя, эффект агломерации, переход режима течения в режим скольжения. При исследовании этих процессов следует дополнительно исследовать физические явления, происходящие в системе «наполнитель-матрица», которые определяют теплопроводность материала при заданных режимах переработки.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

  1. Johannaber F., Michaeli W. Handbuch Spritzgießen. Hanser Verlag, München, 2004.
  2. Amesöder S., Ehrenstein G.W. Hochgefüllte Kunststoffe mit definierten magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften. Springer-VDI-Verlag, 2002.
  3. Amesöder S., Markov A., Ehrenstein G.W. //ANTEC. Boston, Massachusetts, 2005. P. 1600.
  4. Gruber J.M. Dissertation. Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen, 2005.
  5. Drummer Dissertation, Universität Erlangen-Nürnberg, 2004.
  6. Виноградов Г. В., Малкин А. Я. Реология полимеров. М.: Химия,
  7. Thienel P. Dissertation, Institut für Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen,