УДК 678.073.082.612
Будников И.В., Парамонова О.А., Бобрышев А.А.
Пензенская государственная архитектурно-строительная академия
Расширение требований к эксплуатационным свойствам конструкционных полимерных материалов и изделий из них привело к разработке целого ряда многокомпонентных материалов на основе термопластов, содержащих различные волокнистые и дисперсные наполнители, модифицирующие добавки, антипирены, пластификаторы и др.
Наличие большого числа ингредиентов в полимерных материалах существенно ухудшило их технологические свойства, осложнило работу смесительного экструзионного и формовочного литьевого оборудования при производстве композиции на основе термопластов и изделий из них.
Производительность, энергоемкость, рентабельность и стабильность технологических процессов наполнения и литья под давлением, а также качество готовой продукции определяются в значительной мере комплексом технологических свойств отдельных ингредиентов и всей композиции в целом. Вследствие этого промышленное применение находят только те материалы, технологические свойства которых соответствуют возможностям реальных экструзионных и литьевых машин.
К технологическим свойствам полимерных материалов принято относить ряд показателей, определяющих формуемость, т. е. гидродинамические процессы, протекающие при переработке. Для анализа процесса переработки и оптимальности состава композитных термопластов может быть выделен ряд основных технологических показателей, существенно зависящих от рецептуры материала и определяющих качество готовой продукции, эффективность и производительность процессов наполнения и литья под давлением. Это следующие характеристики расплава: вязкость, продольная прочность, температуропроводность, абразивность, термостабильность, сжимаемость, критические параметры течения.
С целью разработки технологических принципов создания многокомпонентных термопластичных материалов выделенные показатели могут быть нормированы с учетом возможностей технологического оборудования. Экспериментальный и теоретический анализ процессов получения композитных материалов позволил сделать вывод, что соответствие композитного материала возможностям оборудования определяются в основном величинами вязкости, термостабильности, продольной прочности и абразивности расплава.
Современные экструзионные установки для приготовления композитных материалов рассчитаны на широкий круг промышленных термопластов, вязкость расплава которых изменяется в пределах от 0,8-102 до 5-104 Па-с. Для стабильного изготовления наполненных композиций с высокой производительностью при заданном уровне энергетических затрат на единицу массы продукции необходимо, чтобы вязкость расплава композиций (при скоростях сдвига 10—100 с-1) находилась в интервале (2—5)-103 Па-с. При вязкостях расплава менее 2-102 Па с действующие одно- и двухчервячные установки не обеспечивают однородного смещения и диспергирования наполнителей практически при любых схемах сборки червяка. В случае высоких вязкостей расплава (более 5-103 Па-с) производительность установок значительно ниже нормы, резко увеличиваются энергетические затраты и стоимость композиции, не обеспечивается безаварийность работы привода, снижается качество волокнонаполненных материалов вследствие существенного измельчения волокна.
С целью обеспечения высокого уровня свойств материала в изделиях изменения молекулярной массы полимерной матрицы в процессе наполнения должны составлять не более 10—15%. Вследствие этого термостабильность расплавов композитных материалов должна быть не менее 8—10 минут.
Экспериментальные данные, полученные на реологических приборах и опытных экструзионных установках, показывают, что неизотермическая продольная прочность расплава при температурах переработки, определяющая стабильность процессов стренговой грануляции, должна быть выше 2-10-2 Па. Средняя скорость растяжения расплава на выходе из головки экструдера составляет 0,3—15,0 с-1, кратность вытяжки стренг — от 2 до 15. При меньшей прочности неизбежны остановки в работе оборудования, связанные с обрывом стренг.
Экспериментальным критерием формуемости расплавов композитных материалов при стренговой грануляции может служить критическая кратность вытяжки расплава, которая должна быть не менее 10.
Линейный износ поверхности червяков при переработке композитных термопластов, содержащих абразивный наполнитель, составляет в зоне дозирования от 0,15 мкм/т для экструдеров марок 4ПВ2 СП или ZSK-83 до 11—15 мкм/т для экструдеров серии Е2 125. Экспериментальные проверки по капиллярному методу с расчетом удельной интенсивности изнашивания нетермообработанной стали 40 Х позволили принять в качестве лабораторного критерия показателя изнашивающей способности расплава величину 10 3 мг/(см2 кг).
Экспериментальный анализ процессов, происходящих при литье под давлением, показал, что пригодность материала к переработке их этим методом определяется вязкостью расплава, обеспечивающей равномерное заполнение формы, термостабильностью полимерной матрицы и всего материала в целом, критическими параметрами течения расплава, характеризующими эластичную турбулентность, температуропроводностью композитных систем, сжимаемостью расплава и изнашивающей способностью расплава по отношению к цилиндру, червяку и технологической оснастке.
Диапазон оптимальных значений вязкости расплава зависит от размеров и конфигурации изделий. В случае использования базовых полимерных материалов, у которых имеется марочный ассортимент по способам переработки, для толстостенных изделий используют марки материала с вязкостью до (2—3)-103 Па-с при скорости сдвига до 103 с-1. Для изделий средней толщины вязкость полимерных материалов должна находиться в диапазоне (2—8)-102 Па-с. Для тонкостенных изделий сложной конфигурации с большим количеством знаков рекомендуется использовать материал с вязкостью в диапазоне (0,8— 2)- 102 Па-с.
Экспериментальные исследования формуемости показывают, что оптимальный диапазон вязкости для композитных материалов, не имеющих в настоящее время марочной специализации, составляет 3-102 — 1-103 Па-с.
Равномерное заполнение формы определяется также критическими параметрами течения расплава, т. е. значениями скорости (или напряжений) сдвига при температуре переработки, в области которых не проявляется эластическая турбулентность и струйное течение расплава. Для равномерного заполнения формы при размерах впуска 0,5—0,8 мм необходимо, чтобы критическое течение при минимальной температуре переработки наступало при скоростях сдвига выше 0,5-103 с-1. Снижение критических скоростей сдвига достигается за счет использования внутренних и внешних смазок.
Для термопластичных материалов при литье под давлением характерны скорости охлаждения расплава от 900 оС/с на поверхности и до 10—20 0С/с в центре отливок. С учетом этих скоростей эмпирически разработаны все инженерные нормы проектирования литьевых форм. Основной параметр, определяющий скорость охлаждения для кристаллических и аморфных термопластов — это коэффициент температуро роводности а, так как диапазон изменения технологических параметров невелик, значение а для существующих методов и норм проектирования оснастки не должно превышать 4-10-7 ‘м2 /с. Реально значения а, превышающие 4•10-7 м2/с, в композитных системах могут встречаться только для термопластов с комплексными наполнителями (графитом, техническим углеродом и углеродным волокном).
Возможность получения литьем под давлением изделий со стабильной усадкой и без нарушения сплошности в центре отливок определяется во многом наличием у полимеров сжимаемости, компенсирующей изменение удельного объема. С ростом содержания наполнителя сжимаемость расплава уменьшается, что приводит к появлению в центре изделий нарушений сплошности и увеличению разброса усадки, которые не компенсируются снижением коэффициента объемного расширения. Для отливок из многокомпонентных материалов, содержащих волокнистый наполнитель, не может быть обеспечена монолитность при сжимаемости расплава термопласта (при давлении 100 МПа) менее 3.10 -4 МПа —
При литье под давлением помимо износа пары «червяк — цилиндр» происходит усиленный износ оснастки. Технико-экономические расчеты показывают, что для изделий, изготавливаемых по 11—13 квалитстам точности, минимальное число циклов до ремонта оснастки составляет 104. Такое число циклов может быть достигнуто при изнашивающей способности расплава не более 0,8-10-5г/(см2*кг).
На основании анализа процессов наполнения и литья под давлением могут быть разработаны объединенные нормы технологических свойств, которыми должны обладать многокомпонентные термопластичные материалы для эффективного использования их в химической промышленности и других отраслях народного хозяйства.
