Пластики, эластомеры и нанокомпозиты. Производство пластиков. Часть 8

Можно рассмотреть случай, в котором единственной переменной процесса является скорость, с которой энергия удаляется из материала на последнем этапе процесса. Альтернативы: быстрое отведение энергии (быстрое охлаждение) с большой разницей температур между пластиком и поверхностью формы (холодная форма) или медленное отведение энергии (медленное охлаждение) с использованием относительно небольшой разницы температур между пластиком и поверхностью формы (горячей поверхностью). Для эксперимента можно использовать кристаллический материал. Сравнение свойств деталей с медленным охлаждением и деталей, изготовленных с быстрым охлаждением, дает следующие преимущества деталей с медленным охлаждением: лучшие механические свойства, лучшие термические свойства, лучшая химическая стойкость, более высокая плотность, но при этом наблюдаются большая усадка формы и более длительное время цикла. Если применение этих деталей требует наилучших достижимых свойств, очевидно, что требуется медленное охлаждение. Более высокая плотность предполагает, что медленное охлаждение приводит к развитию более кристаллического содержимого (упорядоченная система может иметь больше молекул в данном объеме). Беспорядочная структура требует больше места, чем упорядоченная. Если мы сомневаемся в этом, мы должны взглянуть на наше собственное рабочее место.

Когда кристаллические материалы ниже точки плавления, они будут иметь порядок от 30 до 90 процентов своей структуры. Фактическая величина порядка, которая может быть достигнута, зависит от полимера. Когда они нагреваются выше температуры плавления, весь порядок исчезает (из-за относительно высокого уровня энергии в системе). Когда эти неупорядоченные системы охлаждаются, молекулярный порядок может измениться, если у молекул достаточно времени и энергии. Таким образом, если форма достаточно горячая и толщина детали относительно велика, кристаллическое содержимое может образоваться в полном объеме, и исходную кривую нагрева можно проследить как кривую охлаждения. Если форма холодная, а деталь тонкая, некоторые молекулы будут охлаждены, прежде чем они смогут принять упорядоченную форму. Благодаря этому они имеют больший объем, кривая температуры исходного объема больше не соблюдается, а усадка формы уменьшена. Тогда кажется очевидным, что, если поверхность формы холодная, материал, который контактирует с этой поверхностью, не сможет развить полную кристаллизацию (даже в лучшем случае он сможет достичь только 50% от полной кристаллизации. Кроме того, это означает различие свойств по толщине детали (внутренняя часть должна охлаждаться медленнее, чем внешняя, причем разница значительна из-за плохой теплопроводности пластика).

С точки зрения повторного измельчения, использование повторно измельченного материала всё еще часто неправильно понимается при литье под давлением. В первую очередь интерес представляют термопластические материалы (многие реактопласты сильно наполнены, и добавление измельченного материала сродни добавлению большего количества наполнителя). Термопластические измельченные материалы часто считают «деградированными материалами». В агрессивных процессах (превышение температуры и давления) это может быть правдой. Однако при нормальной обработке более целесообразно рассматривать эти материалы просто как измененные. Чтобы помочь изучить эту концепцию, мы должны рассмотреть стандартные тесты ISO или ASTM, которые определяют индекс текучести расплава (MFI) на экструзионном пластометре. В этом испытании время, необходимое для вытеснения известного количества материала при определенных условиях испытания, преобразуется в выход в граммах за 10-минутный период времени. Это не показатель технологичности, условия испытаний дают скорость сдвига, которая на величину меньше, чем скорости сдвига, наблюдаемые в некоторых процессах, а пластическая текучесть зависит от скорости сдвига. В условиях фиксированной скорости сдвига тест является грубым индикатором размера молекулы. Чем крупнее молекулы, тем труднее им течь и тем меньший регистрируется выходной сигнал при синхронизированном тесте. Обратите внимание, что этот подход может предоставить нам контрольный тест при получении сырья, если мы захотим его использовать.

Каждый раз, когда материал проходит процесс литья под давлением, средний размер молекулы будет уменьшаться. Величина уменьшения будет функцией исходного размера молекулы и скорости сдвига, создаваемой в процессе. Эта скорость сдвига является линейной функцией скорости впрыска и обратной кубической функцией размера затвора, то есть чем меньше задвижка, тем выше скорость сдвига. Хотя физические свойства пластмассовых изделий зависят от размера молекул, многие изделия могут выдерживать около 30% содержания вторичного измельчения без чрезмерного ущерба для свойств. Точно так же есть некоторые продукты, которые не допускают повторного измельчения материала, поскольку производителям нужны лучшие свойства, которые только могут быть достигнуты. Другие могут выдерживать 100% повторное измельчение и при этом обеспечивать приемлемую производительность. Кроме того, мы должны осознавать, что равномерное добавление измельченного материала улучшит технологичность и создаст более легкий поток материала. Мы должны признать, что практически все пластмассы имеют добавки в виде стабилизаторов технологического процесса и агентов, добавляемых для увеличения срока годности. Единственная разница между первичным материалом с заданным MFI и измельченным материалом с таким же MFI будет заключаться в содержании добавки. Некоторые стабилизаторы будут израсходованы в процессе. Это приводит к появлению рецептур, в которых вводятся различные добавки в уже измельченные материалы.