Литье под давлением

Дегазация, или удаление летучих веществ при литье под давлением

В некоторых случаях при литье под давлением используется вентиляционное отвер­стие (клапан) для удаления летучих веществ из пластмассы. Вентиляция требует специальной конструкции шнека, позволяющей создавать область нулевого давле­ния под вентиляционным отверстием. Это условие называется условием вентиля­ционного потока, и его соблюдение необходимо для предотвращения вытекания рас­плава полимера через вентиляционное отверстие. Используемый в вентилируемом экструдере шнек называется двухстадийным (рис. 4.32).

Системы вентиляции часто используются для гигроскопичных полимеров в целях снижения в них уровня влажности. Также можно удалять и другие летучие ве­щества, например, мономеры, растворители и воздух. Во многих случаях удаление летучих с помощью вентилирования экономически выгоднее, чем предварительная сушка сырья.

Эффективного удаления летучих веществ можно добиться выполнением сле­дующих условий:

• Полимерный материал должен быть полностью расплавлен к тому моменту, когда он достигает зоны под вентиляционным отверстием (клапаном). По этой причине вентиляционное отверстие не должно располагаться слишком близко к отверстию питателя.

 

Рис. 4.32. Двухстадийный экструдер

Давление под вентиляционным отверстием должно быть нулевым; следова­тельно, зона улавливания и отвода летучих примесей должна иметь большую пропускную способность и быть заполненной лишь частично. Зона шнека непосредственно перед зоной улавливания и отвода летучих должна быть полностью заполнена расплавом полимера. Это достигается вве­дением зоны шнека с низкой пропускной способностью. Зона шнека, расположенная за зоной улавливания и отвода летучих (вторая стадия), должна иметь большую пропускную способность по сравнению с зо­ной шнека, предшествующей зоне улавливания и отвода. Этого можно до­биться увеличением глубины канала и/или шага винтового гребня на второй стадии по сравнению с первой.

Смешение

Требования к узлам пластикации литьевых машин со временем постоянно повыша­ются при литье под давлением. Это в первую очередь относится к трем факторам: качеству производимых де­талей из пластика, экономичности производства изделий из пластмассы и мобильности процесса — все они тесно связа­ны друг с другом. При исследовании ВП-шнеков и их влияния на указанные факто­ры выявляется основная проблема: отсутствие эффективного смешения в ВП-шнеке зачастую ограничивает качество литьевых изделий из пластмассы.

Трехзонные шнеки стали де-факто стандартом универсального шнека общего назначения благодаря гибкости в работе. Однако пределы возможностей этой конст­рукции шнеков были быстро исчерпаны, когда появилась необходимость оператив­ного смешения в процессе литья. Целью практически любого производителя являет­ся переработка различных материалов без замены шнека. Для обеспечения такой возможности шнек должен отвечать следующим требованиям:

• тонкое измельчение вторичных компонентов;

• гомогенное смешение первичных и вторичных компонентов;

• термическая гомогенность расплава;

• высокая скорость потока;

• минимизация сдвиговых напряжений;

• возможность самоочистки;

• минимальный износ.

Виды течения

Для разработки оптимальной конструкции шнека необходимо понимать прин­ципы смешения и определить виды течений, формируемых шнеком. Течения, возни­кающие при переработке пластмасс, подразделяются на ротационное (вискозимет-рическое), сдвиговое и растяжения. Как видно из названия, ротационный поток соз­дает среду, которая вращает элементы жидкости. Поскольку такие течения не дают заметного смешения, их следует избегать. Сдвиговое течение, показанное на рис. 4.33, является наиболее распространенным в процессах переработки пластмасс. Данное изображение является упрощенной моделью течения в канапе шнека, при котором верхняя скользящая стенка представляет собой материальный цилиндр, а стацио­нарная стенка — шнек. Течения с растяжением, иногда называемые безвихревыми, создают такую среду, при которой элементы расплава растягиваются или разрыва­ются, как показано на рис. 4.34.

Смешение с распределением

При смешении полимеров и/или добавок, входящих в состав композиции, необ­ходимо добиваться гомогенности смеси. Однако компоненты могут иметь очень раз­личающиеся свойства (например, вязкость), что может вызвать значительные пробле­мы при смешении. При этом требования к системе смешения возрастают. В перера­ботке полимеров происходящее смешение может быть разделено на две основные категории: распределительное и диспергирующее. Распределительное смешение включает в себя увеличение пространственного расстояния между твердыми агломе­ратами или каплями без уменьшения их размера. Такое распределение достигается приложением высоких нагрузок к системе таким образом, чтобы площадь поверхно­сти раздела двух или более фаз увеличивалась, а размеры частиц вторичных фаз уменьшались. На рис. 4.34 показана упрощенная схема распределительного смеше­ния. В данном случае группа не связанных когезионно частиц располагается вместе в нижнем левом углу. Поток первичной фазы перемещает частицы по всей области. Поскольку между частицами нет когезионных связей, они свободно перемещаются независимо друг от друга. В конечном состоянии наблюдается статистическое распре­деление частиц по всему объему. Разделение частиц является другим возможным ви­дом распределительного смешения. В этом случае частицы с различными характери­стиками будут предпочтительно перемещаться в определенные области.

Приложение больших нагрузок к смеси не всегда гарантирует ее гомогенность. Это особенно справедливо, когда обычно происходит смешение жидкостей с вязкостями, отличающимися в пределах от 100 до 100 000 Па-с. Для таких жидкостей чис­ло Рейнольдса (отношение сил инерции к силам вязкости) обычно ниже 1,0, что является признаком ламинарного течения. При таком виде течения истинного диф­фузионного смешения не наблюдается, и степень смешения не растет экспоненци­ально, как при турбулентном течении. Это означает, что в переработке полимеров для достижения надлежащего смешения следует прилагать более существенные

 

Рис. 4.33. Сдвиговое течение при литье под давлением Рис. 4.34. Течение с растяжением

усилия. Кроме того, исходная ориентация вторичной фазы относительно направле­ния течения вносит важный вклад в общее напряженное состояние потока. На рис. 4.36 показан простой пример смешения жидких элементов в ламинарном сдви­говом течении. Элемент, показанный на рис. 4.36, а, расположен вдоль направления течения между двумя слоями, прилегающими друг к другу, что вызывает небольшие деформации. С другой стороны, на рис. 4.36, б жидкий элемент находится поперек направления течения и пересекает несколько слоев, что приводит к образованию бо­лее сильно деформированного жидкого элемента.

Деформацию, происходящую в данном случае, можно проанализировать с помо­щью уравнений, предложенных Эрвином. Для количественной оценки имеющего­ся смешения можно вычислить площадь границы раздела фаз вторичного жидкого эле­мента и первичного компонента.

Чем сильнее увеличивается площадь раздела фаз, тем выше эффективность сме­шения. Другим подходом к оценке эффективности смешения является контроль за изменением толщины слоев. В этом случае меньшая величина толщины слоя

 

Рис. 4.36. Изменение толщины слоев S за счет сдвига: а — горизонтально ориентированная вторичная фаза; б — вертикально ориентированная вторичная фаза

указывает на более высокую степень смешения. При этом толщина слоев обратно пропорциональна увеличению площади раздела фаз, описанному выше. Для просто­го сдвигового течения выражение для толщины слоев выглядит следующим обра­зом:

Здесь видно, что толщина быстро снижается на ранних стадиях деформации, что показывает эф­фективность происходящего смешения. Однако уже при незначительном повыше­нии напряжения сдвига падение толщины слоев существенно замедляется. В дан­ном примере на начальной стадии деформации при повышении нагрузки на пять единиц снижение оказывается более существенным, чем при последующем увеличе­нии нагрузки на 1000 единиц. Такое снижение эффективности происходит по мере отклонения ориентации жидкого элемента от оптимальной для эффективного уве­личения площади. В результате сдвиговые нагрузки перестают обеспечивать эффек­тивность смешения при литье под давлением. Таким образом, для создания эффективной среды для смеше­ния необходимо поддерживать оптимальную ориентацию элементов вторичной фа­зы. Этого можно добиться за счет использования специальных зон смешения. В таких устройствах жидкий элемент периодически переориентируется таким обра­зом, чтобы обеспечить оптимальное смешение за счет сдвиговых деформаций. В ра­ботах описан метод увеличения площади поверхности раздела фаз при ис­пользовании смесительных устройств.

В этом случае предполагается, что в зоне смешения создается статистически ориентированный жидкий элемент (вторичный компонент), а напряжение сдвига, создаваемое зоной смешения, пренебрежимо мало при литье пластмасс под давлением.

При увеличении количества зон сме­шения происходит существенное повышение эффективности смешения, что хорошо демонстрирует важность их использования в процессах переработки полимеров.

Максимальная способность к смешению может быть достигнута в случае, если оптимальная ориентация элементов вторичной фазы поддерживается постоянно. Максимально возможное увеличение площади раздела фаз, обычно называемое иде­альным смешением

До сих пор мы рассматривали только сдвиговые течения при литье пластика под давлением. Следует, однако, учесть, что если удается создать течение с растяжением, то идеальное смешение Эрвина до­стигается автоматически. В этом случае площадь поверхности раздела фаз возрастает экспоненциально. Однако мы уже отмечали, что создать течение растяжения довольно трудно, особенно на длительное время.