Метод экструзии

Введение 
Пластмассы - материалы на основе органических природных, синтетических или органических полимеров, из которых можно после нагрева и приложения давления формовать изделия сложной конфигурации. Полимеры - это высоко молекулярные соединения, состоящие из длинных молекул с большим количеством одинаковых группировок атомов, соединенных химическими связями. Кроме полимера в пластмассе могут быть некоторые добавки.  
 
Переработка пластмасс - это совокупность технологических процессов, обеспечивающих получение изделий - деталей с заданными конфигурацией, точностью и эксплуатационными свойствами.  
 
Высокое качество изделия будет достигнуто, если выбранные материал и технологический процесс будут удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям изделия: электрической и механической прочности, диэлектрической проницаемости, тангенсу угла диэлектрических потерь, прочности, плотности и т.п.  
 
Материаловедческие задачи состоят в правильном выборе типа и марки полимера, таким образом, чтобы обеспечить возможность формования изделия с заданными конфигурацией и эксплуатационными свойствами.  
 
Технологические задачи включают в себя всю совокупность вопросов технологии переработки полимеров, обеспечивающих качество изделия: подготовку полимеров к формованию, разработку-определение технологических параметров формования, разработку инструмента, выбор оборудования. 
 
Основные этапы работы по применению пластмасс в изделиях:

1.  
   анализ условий работы изделия, разработка требований к эксплуатационным свойствам;
2.  
   выбор вида пластмассы по заданным требованиям и эксплуатационным свойствам изделия;
3.  
   выбор способа переработки пластмассы в изделие и оборудования;
4.  
   выбор базовой марки пластмассы и на её основе марки с улучшенными технологическими свойствами;
5.  
   конструирование, изготовление, испытание и отладка технологической оснастки

 
 
1 Физико-химические основы процесса 
1.1Структура полимеров 
 
Полимеры состоят из повторяющихся групп атомов - звеньев исходного вещества - мономера, образующих молекулы в тысячи раз превышающих длину неполимерных соединений, такие молекулы называют макромолекулами. Чем больше звеньев в макромолекуле полимера (больше степень полимеризации), тем более прочен материал и более стоек к действию нагрева и растворителей. Из-за невозможности эффективной переработки малоплавкого и труднорастворимого полимера в ряде случаев получают сначала полуфабрикаты - полимеры со сравнительно низкой молекулярной массой - олигомеры, легко доводимые до высоко молекулярного уровня при дополнительной тепловой обработке одновременно с изготовлением изделия.  
 
В зависимости от состава различают группы полимерных соединений: гомополимеры - полимеры, состоящие из одинаковых звеньев мономеров; сополимеры - полимеры, состоящие из разных исходных звеньев мономеров; элементоорганические - соединения с введен-ными в главную цепь или боковые цепи атомами кремния (кремнийорганические соединения), бора алюминия и др. Эти соединения обладают повышенной теплостойкостью. 
 
Форма молекул может быть: линейная неразветвленная допускающая плотную упаковку; разветвленную труднее упаковываемая и дающая рыхлую структуру; сшитая - лестничная ,сетчатая, паркетная, сшитая трехмерно-объемная, с густой сеткой поперечных химических связей (рисунок1).  
 
а -линейная б - разветвленная в - сшитый полимер 
 
Рисунок 1 – Структура полимеров 
У органических полимерных материалов макроструктура образована либо свернутыми в клубки (глобулы) гибкими макромолекулами, либо пачками-ламелями более жестких макромолекул, параллельно уложенных в несколько рядов, так как в этом случае они имеют термодинамически более выгодную форму, при которой значительная часть боковой поверхности прилегает друг к другу. На участках складывания образуются домены, а домены создают фибриллы, связанные проходными участками Несколько доменов, соединяясь по плоскостям складывания, образуют первичные структурные элементы - кристаллы, из которых при охлаждении расплава возникают пластинчатые структуры - ламели. В процессе складывания ламелей концы молекул могут находиться в разных плоскостях; иногда эти концы молекул частично возвращаются в начальную плоскость - в этом случае они создают петли  
^ 1.2 Особенности строения кристаллизующихся и аморфных полимеров 
 
Полимеры могут находиться в трех фазовых состояниях: кристаллическом, жидком (или аморфном) и жидкокристаллическом. 
 
В кристаллическом фазовом состоянии имеется дальний трансляционный порядок в расположении частей макромолекул, при этом принцип плотной упаковки молекул осуществляется за счет параллельного расположения их осей. Кристаллизация из расплава приводит к образованию полимеров, имеющих микрокристаллическое строение и состоящих из большого числа отдельных полимерных кристаллитов размером примерно от 10^-8 до 10^-6 м. Структура кристаллитов определяется строением молекул полимера. Так, для полимеров, имеющих гибкие макромолекулы, термодинамически более выгодной оказывается макромолекула не полностью вытянутая, а многократно сложенная так, что значительные части ее боковой поверхности примыкают друг к другу, при этом на участках складывания образуются домены. Поэтому представляется, что макромолекулы расплава таких полимеров расположены не хаотически, а в известной степени упорядоченно- в виде фибрилл, образованных из доменов, которые связаны проходными участками, (рисунок 2).  
 
 
Рисунок 2 - Схематичное изображение структуры расплава 
 
полимера, имеющего доменно-фибриллярное строение 
Локализованные области атомы и состоят из сложенных участков, при этом углеродные атомы макромолекулы расположены в одной плоскости и образуют зигзаг. 
 
Время существования таких образований в расплаве при различных температурах, а также при течении в процессе переработки остается неясным: происходит ли полный их распад или они разрушаются только частично в зависимости от интенсивности сдвига одних слоев расплава по отношению к другим. Вероятнее всего они не разрушаются полностью и при охлаждении становятся центрами кристаллизации. Несколько доменов, соединяясь друг с другом по плоскостям складывания, образуют первичные структурные элементы - кристаллиты, из которых в процессе охлаждения возникают пластинчатые 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 макромолекулы проходят через ламель только один раз, затем попадают в дефектную кристаллическую область и входят в другие ламели. 
 
Другая часть макромолекул после выхода из кристаллита может снова вернуться в него, при этом между ламелями образуются петли. Таким образом, ламель состоит из кристаллитов 1, петлеобразных участков макромолекул 2 и проходных участков 3. 
 
Следует отметить, что чем больше между ламелями в данном управлении проходных участков макромолекул и меньше петель, м прочнее будет в этом же направлении изготовленное изделие, факт имеет принципиально важное значение и его используют в технологии переработки. Так, выбирая условия формования и направление течения расплава, можно изменять качество изделия, (рисунок3).  
 
 
1 — кристаллит; 2 — петля; 3 — проходной участок макромолекулы 
 
Рисунок 3 - Схематичное изображение строения лямели кристаллического полимера 
 
За счет проходных молекул или образования петлеобразных участков, выходящих из плоскости складывания, возникают дефектные (аморфные) области, связанные с кристаллитами. Но при этом полимер, как бы велико не было содержание в нем аморфных областей, остается однофазной кристаллической системой так как физическое разделение этих областей невозможно Поэтому неупорядоченные области на границе между ламелями можно рассматривать как дефекты кристаллической структуры. При этом в межламелярное пространство, как правило, вытесняются некристаллические компоненты (низкомолекулярные фракции полимера, примеси, боковые ответвления макромолекул и т. д.). Дефектность кристаллических структур обычно характеризуют степенью кристалличности, которая зависит как от строения полимера, так и от условий кристаллизации. 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 низкой плотности не входят в кристаллическую решетку или, входя в нее, образуют сильно дефектные решетки. 
 
В зависимости от строения полимера, а также условий кристаллизации образуются кристаллические структуры, состоящие из различных элементарных ячеек, которые отличаются взаимным расположением цепей макромолекул. Так, для поликарбоната, полиэтилена и некоторых других полимеров наиболее характерна к орторомбическая кристаллическая ячейка, показанная на рисунке 4.  
 
 
 
а - пространственное расположение зигзагов макромолекул; б- вид вдоль оси с; в- проекция на плоскость а-с 
 
Рисунок 4 - Схема расположения макромолекул в кристаллической структуре, построенной из орторомбических элементарных ячеек 
Подобная ячейка построена из зигзагов макромолекул, сдвинутых относительно друг друга вдоль оси а. Ячейка содержит Мять звеньев макромолекул, одно в центре и четыре в углах, направленных вдоль оси с. Размеры ячейки обозначают с помощью линейных величин по координатам а — b — с. Если проанализировать строение кристаллитов относительно расположения в них зигзагообразных участков (доменов) макромолекул, то вероятнее всего сложенные участки (зигзаги макромолекул) располагаются в плоскости параллельной большой оси а, т. е. в плоскости (110) кристалла рисунок 4а. Плоскость складывания (001) обычно параллельна поверхности ламели. Предположение о параллельности плоскости домена оси а подтверждается экспериментально. Гак, в пленках, полученных экструзией (непрерывным выдавливанием расплава через щель), методом поляризационной спектроскопии установлено, что ось а направлена вдоль течения расплава. Из этого следует, что большая ось домена преимущественно всегда направлена при течении расплава вдоль приложенного напряжения сдвига. 
 
Расположение оси элементарной кристаллической ячейки, возникающее в процессе переработки полимеров, имеет большое практическое значение, так как в зависимости от пего изменяются прочность, усадка и другие показатели изделий. Изменяя условия течения расплава при формовании, можно целенаправленно управлять технологическим процессом переработки полимеров, обеспечивая высокое качество изделий. 
 
Кроме рассмотренной орторомбической упаковки макромолекулы полимеров могут образовывать триклинную, моноклинную, гексагональную и другие виды ячеек. Моноклинная или триклинная упаковка получается при сжатии (прокатке) полиэтилена рисунок 5. Полиморфизм наблюдается также у других полимеров. 
 
 
 
а – триклинная б - моноклинная 
 
Рисунок 5 - Теоретическая плотная упаковка молекул полиэтилена 
Например, различные модификации известны у поливинилиденфторида, полиамидов и др. 
 
При замещении атомов водорода в молекулах полимеров атомами хлора или фтора (поливинилхлорид, поливинилфторид) плоский зигзаг возникнуть не может, поэтому полимерные молекулы имеют спиральную конформацию. Таким же строением обладают изотактические полипропилен и полистирол. 
 
Жидкокристалическое фазовое состояние является промежуточным (мезоморфным) между кристаллическим и жидким (аморфным). Жидкокристаллическую фазу нематического типа образуют жесткоцепные полимеры из концентрированного раствора или расплава, если отсутствуют кинетические помехи. Для жидкокристаллического состояния характерна параллельная упорядоченность молекул в некоторой области пространства (домене), в то время как сами домены расположены беспорядочно. Образование жидкокристаллической фазы в гибкоцепных полимерах возможно только под действием растягивающего поля — механического пли гидродинамического. Под действием силового поля происходит разворачивание цепей и уменьшение гибкости макромолекул, так что система переходит в жидкокристаллическую нематическую фазу или истинно кристаллическую с выпрямленными цепями, (рисунок 6). Подобные приемы используют в технологических процессах получения высокопрочных волокон. 
 
 
а - схема строения фибриллы; б - электронная микрофотография поверхности образца 
 
Рисунок 6 - Фибриллярное строение полимеров, подвергнутых холодной вытяжке в направлении, показанном стрелками 
Жидкое фазовое состояние характерно для аморфных полимеров, а также кристаллизующихся полимеров при температурах выше температуры плавления. В жидкое фазовое состояние можно перевести некоторые кристаллизующие полимеры при очень быстром охлаждении расплава, при этом наблюдается ближний порядок в расположении отдельных участков макромолекул в отсутствии дальнего порядка. 
 
Полимеры в жидком фазовом состоянии могут иметь три типа структур:

1.  
   ближний порядок, когда в пределах малых областей атомы расположены более или менее регулярно;
2.  
   термически нестабильные кристаллиты, которые сохраняются выше температуры плавления, однако вследствие тепловых флуктуаций они непрерывно исчезают и вновь возникают;
3.  
   пачки, способные в свою очередь к образованию более сложных структур дендритного типа.

 
Некоторые из этих структур существуют в расплаве и в стеклообразном состоянии, однако в первом случае они  флуктуируют, а во втором «заморожены».  
 
Следует отметить, что вероятнее всего кристаллиты в жидком фазовом состоянии построены из доменов и характерны для молекул, обладающих гибкостью и способных к образованию плоского зигзага. Структуры в виде пачек возникают преимущественно из молекул, имеющих спиральную конформацию. 
 
В полимерах могут происходить структурные превращения. Так, растяжение аморфных полимеров в высокоэластическом состоянии превращает исходное изотропное тело в одноосно-ориентированное анизотропное аморфное тело, при этом существенно изменяется весь комплекс его свойств. Появляется анизотропия прочности, оптических и других физических показателей. 
 
Структурные превращения наблюдаются также у кристаллических полимеров при их растяжении или термообработке. Глубина распада исходных кристаллических структур и степень их обновления в основном зависят от условий вытяжки (скорости и температуры), а также от строения макромолекул. Процесс перестройки структуры при растяжении может протекать по двум схемам: поворот структур без их разрушения и распад исходных элементов и образование новых форм. 
 
В процессе ориентации по первой схеме вначале начинают вытягивать проходные участки макромолекул, расположенные в аморфных областях. По мере увеличения деформации начинаете сдвиг ламелей друг относительно друга, разворот их и раскручивание в плоскости, перпендикулярной направлению вытяжки. При этом, вероятно, возможны процессы рекристаллизации структур, которые не могут развернуться относительно оси вытяжки. При больших удлинениях ось с ячейки кристалла ориентируется вдоль вытяжки, а оси а и b — перпендикулярно. 
 
Образующаяся структура имеет фибриллярное строение и состоит из почти выпрямленных участков проходных молекул и ламелей, расположенных своими плоскостями перпендикулярно оси вытяжки. При этом в плоскости растяжения расположено наибольшее число проходных молекул, что обусловливает высокую прочность вдоль ориентации. Прочность же изделий в перпендикулярном направлении значительно ниже. 
 
Изменяя температуру при вытяжке, можно увеличить или уменьшить большой период (толщину ламелей) по рисунку 4. Изменение большого периода при ориентации происходит вследствие изменения расстояния между кристаллитами, которое обусловлено растяжением или сжатием аморфных прослоек, а также. Вращением кристаллитов вследствие межламелярного скольжения, а также изменением наклона складок внутри кристаллитов. 
 
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 изготовления изделий полимер подвергается нагреванию до высоких температур, деформации сдвига или растяжения (сжатия), а также последующему охлаждению. В зависимости от параметров перечисленных операций в значительной мере изменяется структура полимера и конформация макромолекул, а также физико-механические, оптические, диэлектрические и другие характеристики полимеров. 
 
В связи с тем что для осуществления кристаллизации полимеры должны обладать определенной подвижностью сегментов молекул, образование надмолекулярных структур может протекать только в определенном интервале температур, а именно, выше температуры стеклования и ниже температуры плавления. Существует группа жесткоцепных полимеров, у которых температура стеклования выше температуры химического разложения (например, целлюлоза), поэтому они могут находиться только в жидком .(аморфном) фазовом состоянии. Большую группу полимеров, не спорных кристаллизоваться, образуют термореактопласты, к числу которых относятся, например, фенолоформальдегидные смолы. Кристаллизация из расплава в равновесном состоянии (без деформации), как правило, приводит к образованию сферолитных структур по схеме, показанной на рисунок 7.  
 
 
 
 
1-зародыш кристаллизации, 2 – аморфная область;3-фибриллы; 4 — аморфные участки фибриллы 
 
Рисунок 7 - Схема образования сферолита 
При охлаждении расплава из кристаллита 1, являющегося центром кристаллизации, образуются лучеобразные фибриллы 3, состоящие из множества упакованных ламелен. Фибриллы, разрастаясь в радиальном направлении и в ширину за счет боковых ответвлений, образуют сферообразные структуры. Естественно, при образовании сферолитов могут возникать дефектные кристаллические области 2 или 4, которые располагаются между фибриллами или в межламелярном пространстве непосредственно в фибрилле. Благодаря тому, что рост сферолитов происходит из множества центров кристаллизации, весь объем полимера быстро кристаллизуется, при этом в местах контакта сферолитов друг с другом образуются грани. Таким образом, сферолиты представляют собой многогранники несколько произвольной формы и размеров.  
 
В радиальных сферолитах оси а и с элементарной ячейки перпендикулярны фибрилле сферолита, а ось б параллельна ей. При этом ось с всегда располагается перпендикулярно к плоскости ламели. За счет агрегации доменов в плоскостях, параллельных оси а ячейки, сферолиты увеличиваются в радиальном направлении и одновременно происходит скручивание фибриллы относительно своей большой оси, (рисунок 8а).  
 
 
 
 
а - поворот фибриллы; б - структура фибриллы 
 
Рисунок 8 – Модель характера молекулярной ориентации в сферолите полиэтилена 
Как показали электронно-микроскопические снимки, кристаллические поверхности полимеров имеют крышеподобный вид. Поэтому фибриллу сферолитов нужно представлять не в виде сплошной ламели, а составленной из множества ламе л ей, уложенных друг на друга рисунок 8, б и скрученных вокруг радиуса сферолита. При наблюдении через оптический микроскоп с использованием поляризованных лучей установлено, что для радиальных сферолитов характерна картина погасании лучен в виде мальтийского креста рисунок 9а.  
 
а- радиальный; б- кольцевой 
 
Рисунок 9 - Различные виды сферолитов 
Это говорит о приблизительно параллельной, по в достаточной степени беспорядочной ориентации фибриллярных элементов в сферолите. Для кольцевых же сферолитов характерно вырождение картины мальтийского креста в зигзагообразную линию рисунок 9б. Это указывает на то, что фибриллы кольцевых сферолитов в процессе роста самопроизвольно скручиваются вокруг центра сферолита и кристаллографическое направление постепенно поворачивается относительно радиуса, образуя право- и левовращающиеся спирали, если смотреть вдоль радиуса. Считают, что кольцевые сферолиты возникают при повышенных температурах кристаллизации или из полимеров, имеющих разветвленное строение макромолекул. 
 
Если кристаллизация происходит из расплава, подвергнутого предварительному деформированию за счет сдвига или вытяжки то образуются сплюснутые сферолиты или сферолиты в виде эллипсоидов вращения. При этом большая ось эллипсоида и кристаллографическая ось а ячейки совпадают с направлением деформации, так как кристаллизация происходит из фибрилл, ориентированных по направлению действия внешней силы. Изделия в этом случае прочнее в направлении течения, так как вдоль него 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 металлизации могут образовываться структуры, построенные кристаллов с выпрямленными и сложенными цепями. При действии напряжений сдвига макромолекулы разворачиваются вдоль течения, при этом домены их располагаются в плоскости сдвига xz, как показано на рисунке 10.  
 
 
 
а - в равновесном состоянии; б- при течении расплава 
 
Рисунок 10 - Изменение конформации макромолекул по действием напряжения сдвига 
При кристаллизации из междоменных ориентированных участков возникают структуры с выпрямленными цепями, а из доменов — кристаллы со сложенными цепями, ось. с ячейки которых направлена вдоль оси х. Далее при увеличении силовых воздействий на расплав образуются бикомпонентные кристаллы типа «шиш-кебаб» («шашлыкоподобные» структуры).  
 
В структурах типа «шиш-кебаб» центральное волокнообразное ядро состоит большей частью из пакетных кристаллов образован ных выпрямленными макромолекулами, вокруг которых начинают расти ламелярные структуры из зигзагоуложенных макромолекул. Содержание кристаллов с выпрямленными цепями возрастает с увеличением напряжения сдвига или скорости деформации, следует отметить, что напряжение сдвига повышается с ростом вязкости и скорости течения расплава. Структуры, внешне похожие на рассмотренные, образуются при литье под давлением холодную форму полиамида П-68. На микросрезах образцов полимера видны чередующиеся слои аморфного и кристаллического строения. При этом по форме кристаллические области вдоль направления течения расплава (рисунок 11а), а и в перпендикулярном течению направлении (рисунок 11б), различаются.  
 
 
 
а - микросрез вдоль течения расплава; б - микросрез поперек течения расплава 
 
Рисунок 11 - Структура микросреза изделия, полученного из полиамида П-68 литьем под давлением 
На срезе вдоль течения видны структуры, ориентированные перпендикулярно центральному слою. 
 
Если кристаллизации притекает под высоким давлением (300 — 500 МПа) и при высокой температуре, то из расплавов преимущественно образуются кристаллические структуры из выпрямленных цепей. При том же давлении, по при быстром охлаждении кристализация происходит в основном из сложенных цепей. Макромолекулы в расплаве находятся в виде доменов, и быстрое охлаждение не позволяет им перейти в новую конформацию, т. е. приобрести вытянутую форму. Необходимо отметить, что при увеличении давления изменяется температура кристаллизации (точка перегиба кривых на рисунке 12.  
 
Рисунок 12 - зависимость изменения удельного объема полиэтилена V_уд от температуры Т 
Так у полиэтилена высокой плотности при давлении 200 МПа температура кристаллизации повышается до 185 ⁰С 
 
При повышении давления вследствие более плотной упаковки макромолекул в значительной степени должна увеличиваться механическая прочность изделий. Даже в тех случаях, когда давление при кристаллизации не велико и образуются структуры из сложенных цепей, прочность изделий выше, чем при кристаллизации. без давления. Это объясняется тем, что при кристаллизации под давлением образуются более мелкие сферолитные структуры.  
 
На размеры кристаллических образований очень сильно влияют скорость охлаждения полимеров и температура расплава в процессе переработки. При высокой скорости охлаждения образуются мелкокристаллические структуры, так как времени на перегруппировку молекул недостаточно и кристаллизация заканчивается па промежуточной стадии. Применяя быстрое охлаждение, можно из кристаллизующегося полимера получить полимер с «замороженной» структурой, подобной аморфному. В процессе резкого охлаждения (закалки) в полимере образуются весьма мелкие кристаллические элементы, вероятно, на уровне кристаллитов. С течением времени в таких полимерах при температуре выше температуры стеклования, но немного ниже температуры плавления будет происходить «холодная» кристаллизация с образованием преимущественно пакетных кристаллов. Это наиболее характерно для полиэтилентерефталата (ПЭТФ). Так, при нагревании образцов ПЭТФ с замороженной структурой до 130°С его скорость кристаллизации сопоставима со скоростью ламелярной кристаллизации из расплава при 200 °С, но достигаемая при этом степень кристалличности не превышает 40 %. Повысить степень кристалличности можно только с помощью отжига (термообработки) при более высокой температуре. 
 
Получить полимер с более крупной структурой можно в результате увеличения температуры кристаллизации (выдержка при определенной температуре и медленное охлаждение) или предварительного нагревания расплава перед кристаллизацией до более высокой температуры. Последнее способствует разрушению первичных структурных образований, являющихся центрами кристаллизации, и кристаллизация из такого расплава, содержащего небольшое число центров кристаллизации, приводит к образованию крупнокристаллических структур. 
 
Форму кристаллических структур можно изменять, используя 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 кристаллический слой. Этот слой состоит из перпендикулярно расположенных у поверхности продолговатых (анизотропных) кристаллов, по форме напоминающих слоевые структуры, (рисунок 11а). 
 
Одним из методов воздействия на процесс кристаллизации является введение в расплав небольшого количества искусственных зародышей кристаллизации (1—2 %). При охлаждении расплава они являются дополнительными центрами, в которых начинается кристаллизация, при этом геометрическая форма введенного зародышевого кристалла определяет конфигурацию кристаллических структур. Так, на мелких кристаллах растут сферолитные образования, на длинных игольчатых кристаллах — лентообразные структуры. При использовании в качестве структурообразователей нитевидных кристаллов ализарина образуются 'ленки 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 складывания и степень молекулярной ориентации кристаллов, но приводят, как правило, к измельчению сферолитной структуры полимера. 
 
Механизм взаимодействия полимера со структурообразователем окончательно не раскрыт, однако считают, что на границе раздела возникают напряжения, способствующие началу кристаллизации. Наличие напряжений в процессе кристаллизации приводит к созданию структурных элементов, устойчивых к более высоким температурам, чем при кристаллизации в равновесных условиях. Вводимые частицы обладают обычно большей теплоемкостью, чем полимер, поэтому на границе с этими центрами могут возникать температурные градиенты, инициирующие начало кристаллизации вследствие местного переохлаждения. 
 
При переработке полимеров обычно имеют место нестационарные 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 таких полимеров, как поликарбонат, полиамид, полиэтилентерефталат, поверхностный слой имеет аморфное строение, а во внутренних слоях образуются кристаллические структуры больших размеров. 
 
В тех случаях, когда необходимо достичь однородности свойств по толщине изделия, применяют отжиг или последующую термообработку изделий при температурах ниже температуры плавления. При отжиге происходит увеличение большого периода l, т. е. длины складывания участка макромолекулы (рисунок 4а). Механизм утолщения ламели состоит в том, что отдельные сегменты сложенной цепи выходят из ламели, вследствие чего образуются более длинные зигзаги. При этом число складок уменьшается, а их длина соответственно увеличивается. В результате уменьшения объема, занимаемого в полимере проходными молекулами и их петлеобразными участками, с увеличением большого периода возрастает плотность полимера (рисунок 13).  
 
Рисунок 13 - Зависимость плотности монокристаллов полиэтилена от обратной величины большого периода 1/l 
При этом чем выше температура и чем больше время выдержки, тем выше плотность полимера. 
 
Термообработка целесообразна в тех случаях, когда необходимо повысить твердость, модуль упругости, механическую прочность, теплостойкость и стойкость к циклическим нагрузкам. Однако такие показатели, как относительное удлинение, ударная вязкость, при термообработке понижаются Из изложенного следует, что в зависимости от размеров и формы кристаллов изменяются свойства полимеров. Несмотря на некоторые частные зависимости, обусловленные строением полимеров, для большинства из них характерна взаимосвязь механической прочности и степени кристалличности. Так, для полипропилена эта зависимость (рисунок 14), весьма существенна и предел текучести (предел вынужденной эластичности) изменяется почти в 4 раза, а ударная вязкость и относительное удлинение уменьшаются. 
 
 
Рисунок 14 - Зависимость предела текучести полиропилена от степени кристаличности α 
 
 
^ 2 Свойства полимеров 
Все свойства полимеров зависят от их химического состава и молекулярной массы. Прочность, твердость, температура перехода, диэлектрическая проницаемость, электрическая прочность, электросопротивление, тангенс угла диэлектрических потерь и другие свойства у различных полимеров изменяются в широком диапазоне . 
 
Полимеры в твердом состоянии могут быть аморфными и кристаллическими. При нагревании аморфного полимера наблюдают три физических состояния: стеклообразное, высокоэластичное и вязкотекучее. Эти состояния устанавливают на основании кривой термомеханического состояния (рисунок 15, кривая 1). 
 
 
 
1- аморфного; 2- кристаллического полимеров 
Рисунок 15 - Термомеханические кривые  
Аморфный полимер находится ниже температуры стеклования (Тс) в твердом агрегатном состоянии. При температуре выш еТс полимер находится в высокоэластичном состоянии; молекулярная подвижность при этом становится настолько большой, что структура в ближнем порядке успевает перестраиваться вслед за изменением температуры, а макромолекулы могут изгибаться под действием внешних сил. Общая деформация складывается в этом случае из упругой и запаздывающей высокоэластичной деформации. При упругой деформации изменяются средние межцентровые, межмолекулярные расстояния и валентные углы в полимерной цепи, при высокоэластичной деформации изменяется ориентация и перемещаются на значительные расстояния звенья гибких цепей. 
 
Кристаллизующийся полимер в зависимости от скорости охлаждения расплава полимера может проявлять два вида структур: аморфную и кристаллическую. При медленном охлаждении кристаллизующихся полимеров совместная укладка отрезков макромолекул образует структуру макромолекул. Это затрудняет переход их из одной конформации в другую, из-за чего отсутствует гибкость макромолекул и нет высокоэластичного состояния При быстром охлаждении кристаллические структуры не успевают полностью сформировываться и поэтому имеется между ними в переохлажденном полимере “замороженная” - аморфная структура. Эта аморфная структура при повторном нагреве до температуры выше температуры плавления (Тпл) создает вязкотекучее состояние. Кривая 2 (рисунок 15) показывает для кристаллической структуры полимера два состояния: кристаллическое (до температуры плавления) и вязкотекучее (выше температуры плавления).  
 
Вязкотекучее состояние, характерное для аморфного и кристаллического состояния полимера, в основном, обеспечивает при течении полимера необходимые деформации путем последовательного движения сегментов. Вязкость полимера увеличивается с увеличением молекулярной массы полимера, увеличивается также при этом и давление формования изделий. 
 
На рисунке 15 представлены термомеханические кривые термопластов, а термомеханическая кривая реактопластов их отличие заключается в полном прекращении при температуре полимеризации деформации термореактивных полимеров, у термопластов при температуре выше температуры ТТ деформация увеличивается.  
 
В заключении отметим, что с увеличением температуры до некоторой величины у полимерного материала начинается процесс термодеструкции - разложения материала.  
 
Свойства полимеров, определяющие качество в процессе переработки:

1.  
   реологические, такие как вязкостные, определяющие процесс вязкого течения с развитием пластической деформации; высокоэластичные, определяющие процесс развития и накопления обратимой высокоэластичной деформации при формовании; релаксационные, определяющие релаксацию (уменьшение) касательных и нормальных напряжений, высокоэластичной деформации и ориентированных макромолекулярных цепей;
2.  
   стойкость полимеров к термоокислительной, гидролитической и механической деструкции в процессе формования под действием температуры, кислорода, влаги, механических напряжений;
3.  
   теплофизические, определяющие изменение объема, нагрев и охлаждение изделия в процессе формования и фиксирования формы и размеров;
4.  
   влажность, определяющая текучесть материала при формовании и качество изделия (вызывает гидролитическую деструкцию при формовании);
5.  
   объемные характеристики сыпучих материалов в твердом состоянии (насыпная масса, сыпучесть, гранулометрический состав).

 
Вязкостные свойства расплава полимеров. Формование изделий из полимеров осуществляют в процессе их вязкого течения, сопровождающегося пластической деформацией. При этом тонкий слой материала, соприкасающийся с неподвижной стенкой инструмента, из-за прилипания к ней имеет нулевую скорость смещения (неподвижен), средний слой - наибольшую скорость смещения V; в режиме установившегося течения связь между напряжением сдвига и скоростью сдвига линейная (закон Ньютона для вязких жидкостей):  
 
, (1) 
- коэффициентhгде  вязкости или вязкость; 
 
- напряжение сдвига;t  
 
- скоростьg сдвига. 
 
Улучшению течения материала способствуют увеличение температуры.  
 
Многие свойства полимерных материалов в изделиях зависят от структуры, которую формирует процесс переработки. В зависимости от полимера и условий переработки в изделиях возникает аморфная или кристаллическая структура. 
 
Структура изделия с аморфным полимером характеризуется определенной степенью ориентации участков цепных макромолекул и расположением ориентированных областей по сечению изделия вдоль направления сдвига (течения) материала. Это приводит к анизотропии свойств. 
 
Структуру изделия с кристаллическим полимером характеризует определенная степень кристалличности (от 60 до 95%) и неравномерность кристаллических областей по сечению. Свойства таких изделий, полученных в разных условиях переработки, несмотря на морфологическую схожесть структуры, различны.  
 
Показатели качества изделий из полимерных материалов зависят от свойств, условий подготовки, переработки и физической модификации материала. Внешний вид изделий зависит от условий переработки, чистоты материала, влажности.  
 
Диэлектрические показатели и химическая стойкость зависят от химической структуры и модификации полимера. 
 
Механические свойства - прочность, ударная стойкость, деформация, жесткость, теплостойкость - зависят от надмолекулярной структуры, а коэффициент трения и износостойкость, стойкость к горению зависят от химической структуры и модификации. 
 
Эксплуатационные свойства - размерная точность и размерная стабильность - зависят, как от химической структуры, молекулярных характеристик, технологических свойств, так и от технологии переработки и технологичности конструкции. 
 
Термостабильность полимеров. Основным показателем в этом случае является деструкция. 
 
Деструкция полимеров - это изменение строения макромолекул. Деструкция может протекать под действием тепла, кислорода, химических агентов (в том числе воды), света, излучений высокой энергии, механических напряжений и т.п., как от отдельного, так и от совокупности параметров. Она сопровождается уменьшением молекулярной массы, выделением газообразных и низкомолекулярных продуктов, изменением окраски и появлением запаха. 
 
Деструкция может сопровождаться не только разрушением макромолекул, но и сшиванием их (структурированием), что вызывает увеличение массы и вязкости расплава. Следствием этого является нарушение всех свойств материала, снижение стабильности свойств изделий. 
 
При переработке полимеров может происходить как термоокислительная, так и механическая деструкция, а у гигроскопических материалов еще и гидролиз.  
 
 
3 Пластические массы 
^ 3.1 Классификация пластмасс 
 
Признаками классификации пластмасс являются: назначение, вид наполнителя, эксплуатационные свойства и другие признаки.  
 
Классификация пластмасс по эксплуатационному назначению:

1.  
   по применению;
2.  
   по совокупности параметров эксплуатационных свойств;
3.  
   по значению отдельных параметров эксплуатационных свойств.

 
По применению различают:

1.  
   пластмассы для работы при действии кратковременной или длительной механической нагрузки - стеклонаполненные композиции полипропилена ПП, этролы, пентапласт, полисульфон ПСФ, полиимид ПИ, материалы на основе кремнийорганических соединений и др.;
2.  
   пластмассы для работы при низких температурах (до минус 40-60⁰С) - полиэтилены ПЭ, сополимеры этилена СЭП, СЭБ, СЭВ, полипропилен морозостойкий, фторопласт ФТ, полисульфон ПСФ, полиимиды ПИ и др.;
3.  
   пластмассы антифрикционного назначения - фторопласты ФТ, полиимиды ПИ, текстолиты, полиамиды, фенопласты, полиформальдегид ПФ и др;
4.  
   пластмассы электро- и радиотехнического назначения: полиэтилены ПЭ, полистиролы ПС, фторопласты ФТ, полисульфон ПСФ, полиимиды, отдельные марки эпоксидных и кремнийорганических материалов и др.;
5.  
   пластмассы для получения прозрачных изделий - полистирол ПС, прозрачные марки фторпласта ФТ, полиамидов 6,12, ПЭТФ, полисульфон ПСФ, эпоксидные смолы и др.;
6.  
   пластмассы тепло- и звукоизоляционного назначения - газонаполненные материалы на основе полиэтилена ПЭ, полистирола ПС, поливинилхлорида, полиуретана ПУР, полиимида ПИ, фенопласта, аминопласта и др.;
7.  
   пластмассы для работы в агрессивных средах - полиэтилены ПЭ, фторопласты ФТ, полипропилен ПП, поливинилхлорид ПВХ, полиимиды ПИ, полусольфон ПСФ и другие.

 
По совокупности параметров эксплуатационных свойств пластмассы делятся на две  большие группы: общетехнического назначения, инженерно-технического назначения. 
 
Пластмассы общетехнического назначения имеют более низкие характеристики параметров эксплуатационных свойств, чем пластмассы инженерно-технического назначения. Пластмассы инженерно-технического назначения сохраняют высокие значения механических свойств не только при нормальной и повышенной температурах, но могут работать и при кратковременных нагрузках при повышенных температурах. Этого не обеспечивают пластмассы общетехнического назначения; они работают в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при обычной и средних температурах (до 55 С). Пластмассы инженерно-технического назначения делят на группы, обеспечивающие определенные свойства в некотором интервале; различают пять групп пластмасс по этому классификационному признаку. 
 
По значению отдельных параметров эксплуатационных свойств составляют ряды пластмасс для различных параметров эксплуатационных свойств. Порядок расположения пластмасс в рядах соответствует снижению параметра эксплуатационных свойств. В зависимости от применяемости наполнителя и степени его измельчения все материалы подразделяют на четыре группы: порошковые (пресспорошки), волокнистые, крошкообразные и слоистые. В таблице 1 приведены параметры некоторых свойств пластмасс. 
Таблица 1 - Значения параметров свойств некоторых типов пластмасс

 
 
^ 3.2 Технологические свойства пластмасс 
 
Технологические свойства пластмасс влияют на выбор метода их переработки. К технологическим свойствам пластмасс относят: текучесть, влажность, время отверждения, дисперсность, усадку, таблетируемость, объемные характеристики. 
 
Текучесть характеризует способность материала к вязкому течению под полимера, выдавленной в течение 10 мин через стандартное сопло под давлением определенного груза при заданной температуре. Так для литья под давлением текучесть равна 1,2-3 г/10 мин, для нанесения покрытий используют полимеры с текучестью 7 г /10 мин. Текучесть реактопласта равна длине стержня в мм, отпрессованного в подогреваемой прессформе с каналом уменьшающегося поперечного сечения. Этот показатель текучести, хотя и является относительной величиной, позволяет предварительно установить метод переработки: при текучести по Рашигу 90-180 мм применяют литьевое прессование, при текучести 30-150 мм - прямое прессование.  
 
Усадка характеризует изменение размеров при формовании изделия и термообработке 
У = (Lф-Lи) / Lф 100, (2) 
Уд = (L-Lт) / Lф 100 %, (3) 
где У - усадка после формования и охлаждения;  
 
Уд - дополнительная усадка после термообработки; 
 
Lф, Lи - размер формы и размер изделия после охлаждения; 
 
L, Lт - размер изделия до термообработки и после охлаждения. 
 
Усадка изделий из реактопластов зависит от способа формования изделия и вида реакции сшивания: полимеризации или поликонденсации. Причем последняя сопровождается выделением побочного продукта - воды, которая под действием высокой температуры испаряется. Процесс усадки протекает во времени; чем больше время выдержки, тем полнее протекает химическая реакция, а усадка изделия после извлечения из формы меньше. Однако после некоторого времени выдержки усадка при дальнейшем его увеличении остается постоянной. Влияние температуры на усадку: усадка увеличивается прямо пропорционально увеличению температуры. Усадка после обработки также зависит от влажности прессматериала и времени предварительного нагрева: с увеличением влажности усадка увеличивается, а с увеличением времени предварительного нагрева - уменьшается.  
 
Усадка изделий из термопластов после формования связана с уменьшением плотности при понижении температуры до температуры эксплуатации.  
 
Усадка полимера в различных направлениях по отношению к направлению течения для термо- и рекатопластов различна, т.е. полимеры имеют анизотропию усадки. Усадка термопластов больше усадки реактопластов. 
 
Содержание влаги и летучих веществ. Содержание влаги в прессматериалах и полимерах увеличивается при хранении в открытой таре из-за гигроскопичности материала или конденсации ее на поверхности. Содержание летучих веществ в полимерах зависит от содержания в них остаточного мономера и низкокипящих пластификаторов, которые при переработке могут переходить в газообразное состояние. 
 
Оптимальное содержание влаги: у реактопластов 2,5 - 3,5%, у термопластов - сотые и тысячные доли процента. 
 
Гранулометрический состав оценивают размерами частиц и однородностью. Этот показатель определяет производительность при подаче материала из бункера в зоны нагрева и равномерность нагрева материала при формовании, что предупреждает вздутия и неровности поверхности изделия. 
 
Объемные характеристики материала: насыпная плотность, удельный объем, коэффициент уплотнения. (Удельный объем - величина, определяемая отношением объема материала к его массе; насыпная плотность - величина обратная удельному объему). Этот показатель определяет величину загрузочной камеры прессформы, бункера и некоторые размеры оборудования, а при переработке пресспорошков с большим удельным объемом уменьшается производительность из-за плохой теплопроводности таких порошков.  
 
Таблетируемость - это возможность спрессовывания прессматериала под действием внешних сил и сохранения полученной формы после снятия этих сил. 
^ 3.3 Физико-химические основы переработки пластмасс 
 
В основе процессов переработки пластмасс находятся физические и физико-химические процессы структурообразования и формования:

1.  
   нагревание, плавление, стеклование и охлаждение;
2.  
   изменение объема и размеров при воздействии температуры и давления;
3.  
   деформирование, сопровождающееся развитием пластической (необратимой) и высокоэластичной деформации и ориентацией макромолекулярных цепей;
4.  
   релаксационные процессы;
5.  
   формирование надмолекулярной структуры, кристаллизация полимеров (кристаллизующихся);
6.  
   деструкция полимеров.

 
Эти процессы могут проходить одновременно и взаимосвязанно. Преобладающим  будет только один процесс на определенной стадии 
 
В процессе формования изделий полимер нагревают до высокой температуры, деформируют путем сдвига, растяжения или сжатия и затем охлаждают. В зависимости от параметров указанных процессов можно в значительной мере изменить структуру, конформацию макромолекул, а также физико-механические, оптические и другие характеристики полимеров. 
 
При охлаждении большого количества полимеров протекает процесс кристаллизации. 
 
Кристаллизация в зависимости от состояния расплава приводит к различным видам структуры. Кристаллизация из расплава полимера в равновесном состоянии без деформации приводит к образованию сферолитных структур. Центром образования таких структур является зародыш , от которого образуются лучеобразные фибриллы, состоящие из множества упакованных ламелей. Фибриллы , разрастаясь в радиальном направлении и в ширину, образуют сферообразные структуры - сферолиты. Сферолиты образуются одновременно в большом числе центров кристаллизации. На основе этого сферолиты в местах контакта образуют грани и представляют собой многогранники произвольной формы и размеров. Электронно-микроскопичес-кие исследования показывают, что фибрилла сферолитов составлена из множества ламелей, уложенных друг на друга и скрученных вокруг радиуса сферолита. 
 
Кристаллизация из расплава полимера протекает при введении в полимерный материал кристаллизаторов - зародышей. 
 
Если кристаллизация протекает под высоким давлением (300...500 Мпа) и при высокой температуре, то образуется кристаллическая структура из выпрямленных цепей; при быстром охлаждении того же расплава кристаллизация проходит с образованием сложных цепей, макромолекулы в этом случае в расплаве в виде доменов, а быстрое охлаждение не позволяет им перейти в новую конформацию, т.е. приобрести вытянутую форму. Установлено также, что с увеличением давления температура кристаллизации повышается. Практическое значение этого свойства: возможность перехода полимера непосредственно из расплава без охлаждения в квазикристаллическое состояние при повышении давления; при этом исключается течение и затормаживаются релаксационные процессы. При повышении давления образуются более мелкие сферолиты и поэтому увеличивается механическая прочность изделий. Размеры кристаллов также зависят от скорости охлаждения и температуры в процессе формования изделия. При высокой скорости охлаждения получают мелкокристаллическую структуру, так как времени на перегруппировку кристаллов недостаточно. 
 
Более крупную структуру полимера можно получить при увеличении температуры, времени выдержки и медленном охлаждении или путем предварительного нагрева расплава до более высокой температуры перед кристаллизацией.  
 
Форма кристаллов может быть изменена. Так, используя центры кристаллизации и искусственные зародыши (1-2% от массы), можно регулировать форму кристаллов. При использовании подложки-кристаллизатора у ее поверхности возникает большое количество центров кристаллизации и образуется плотно упакованный слой из перпендикулярно расположенных к поверхности кристаллов. Искусственные зародыши являются дополнительными центрами кристаллизации, форма кристалла при этом зависит от формы зародыша кристаллизации, на мелких кристаллах растут сферолитные структуры, на длинных игольчатых кристаллах - лентообразные структуры. Структурообразователями (зародышами) в этом случае являются окислы алюминия и ванадия, кварц, двуокись титана и др. Структурообразователи обычно способствуют измельчению сферолитной структуры полимера. 
 
Нестационарные условия теплопередачи и скорости охлаждения при формовании изделий из полимеров способствуют получению изделий с неоднородной структурой (более мелкие кристаллы у поверхностных слоев). 
 
В случае необходимости однородные свойства изделия можно обеспечить с помощью отжига или последующей термообработки при температуре ниже температуры плавления. При отжиге уменьшается объем изделия и повышается плотность; причем чем выше температура и больше время выдержки, тем выше плотность изделия. Термообработка целесообразна в тех случаях, когда необходимы повышенные твердость, модуль упругости, механическая прочность, теплостойкость и стойкость к циклическим нагрузкам; при этом уменьшаются относительное удлинение и ударная вязкость. 
 
Полнота протекания указанных процессов, кроме деструкции в значительной мере определяет качество готового изделия, а скорость протекания этих процессов определяет производительность способа переработки. На качество изделия в значительной степени влияет скорость протекания деструкции полимера, повышаемая термическим и механическим воздействием на материал со стороны рабочих органов инструментов при формировании. 
 
Форму изделия из термопласта получают в результате развития в полимере пластической или высокоэластичной деформации под действием давления при нагреве полимера. При переработке реактопластов формирование изделия обеспечивают путем сочетания физических процессов формирования с химическими реакциями отверждения полимеров. При этом свойства изделий определяют скорость и полнота отверждения. Неполное использование при отверждении реакционных способностей полимера обусловливает нестабильность свойств изделия из реактопластов во времени и протекание деструкционных процессов в готовых изделиях. Низкая вязкость реактопластов при формировании приводит к снижению неравномерности свойств, увеличению скорости релаксации напряжений и меньшему влиянию деструкции при переработке на качество готовых изделий из реактопластов. 
 
В зависимости от способа переработки отверждение совмещается с формованием изделия (при прессовании), происходит после оформления изделия в полости формы (литьевое прессование и литье под давлением реактопластов) или при термической обработке сформованной заготовки (при формовании крупногабаритных изделий, например, листов гетинакса, стеклотекстолита и др.). Полное отверждение реактопластов требует в некоторых случаях нескольких часов. Для увеличения съема продукции с оборудования окончательное отверждение может производиться вне формующей оснастки, так как устойчивость формы приобретается задолго до завершения этого процесса. По этой же причине изделие извлекают из формы без охлаждения. 
 
При переработке полимеров (особенно термопластов) происходит ориентация макромолекул в направлении течения материала. Наряду с различием в ориентации на разных участках неоднородных по сечению и длине изделий возникает структурная неоднородность и развиваются внутренние напряжения.  
 
Наличие температурных перепадов по сечению и длине детали ведет к еще большей структурной неоднородности и появлению дополнительных напряжений, связанных с различием скоростей охлаждения, кристаллизации, релаксации, и различной степенью отверждения. 
 
Неоднородность свойств материала (по указанным причинам) не всегда допустима и часто приводит к браку (по нестабильности физических свойств, размеров, короблению, растрескиванию). Снижение неоднородности молекулярной структуры и внутренних напряжений удается достигнуть термической обработкой готового изделия. Однако более эффективно использование методов направленного регулирования структур в процессах переработки. Для этих целей в полимер вводят добавки, оказывающие влияние на процессы образования надмолекулярных структур и способствующие получению материалов с желаемой структурой  
^ 3.4 Марочный ассортимент полимеров 
 
Марочный ассортимент полимеров создан с целью быстрого выбора вида и марки полимера для изготовления высококачественных изделий. Марочный ассортимент включает марки, различающиеся по вязкости и эксплуатационным свойствам.  
 
Марочный ассортимент по вязкости разделяют на марки, предназначенные для переработки различными методами (литьем под давлением, прессованием и др.), с повышением номера марки увеличивается молекулярная масса и, как следствие, увеличивается вязкость. Это марки базового ассортимента. Марки по вязкости модифицируют для улучшения технологических свойств: для увеличения производительности создают быстро-кристаллизирующиеся марки; для изделий сложной конфигурации - марки со смазками; термостабилизированные марки.  
 
На основе базового ассортимента марок по технологическим свойствам создают путем химической или физической модификации марки с улучшенными свойствами. Эти марки разрабатывают с такими свойствами, чтобы при рекомендуемых режимах получать качественные изделия по всем параметрам ( точности, прочности, внешнему виду и др.). В настоящее время полимерные материалы выпускают в ассортименте и поэтому для каждого изделия и способа формования можно подобрать соответствующую базовую марку полимера и, если необходимо, марку с улучшенными технологическими свойствами.  
 
Базовые марки с целью изготовления качественных изделий разделяют на группы: в зависимости от вязкости полимера и толщины S стенки изделия; в зависимости от относительной длины изделия L/S (S-длина).  
 
Все множество марок пластмасс содержит около 10000 наименований  
 
Выбор пластмасс. Основными признаками выбора пластмасс являются эксплуатационные и технологические свойства. Для ускорения процесса выбора материала используют специальные таблицы, в каждой из которых приведены марки материалов в порядке снижения среднего значения представляемого эксплуатационного свойства. Так созданы таблицы групп материалов по коэффициенту трения и износа, электрической прочности и электросопротивлению, диэлектрической проницаемости, коэффициенту светопропускания и преломления и другим признакам.

Смотрите также:

• Руководство: Технология сварки пластмасс [ стандарт ]
• Акутин М.С., Афанасьев Н.В. Теоретические основы переработки пластмасс. Часть 2 [ документ ]
• Акутин М.С., Рябушкин И.И. Технология переработки пластических масс [ документ ]
• Конструкции из дерева и пластмасс [ лекция ]
• Алпатов В.М. История лингвистических учений [ документ ]
• Технология машиностроения. Часть 1. Технология производства машин [ документ ]
• Моделирование процессов переработки пластмасс [ документ ]
• Дипломная работа - Сеть кабельного телевидения [ дипломная работа ]
• по интерфейсам ИС [ лекция ]
• Дистанционное образование [ лекция ]
• Теоретические основы машиностроения. Часть 3 [ документ ]
• Кожухина О.Н. Технология производства земляных работ [ документ ]

1.doc

1   2   3   4

 
4 Способы изготовления деталей  из пластмасс 
4.1 Классификация методов изготовления пластмасс и формование 
 
Основными операциями технологического процесса являются: подготовка материала, дозирование исходного материала, при некоторых условиях таблетирование и предварительный подогрев, затем формование и, наконец, отделочные операции механической обработки, (рисунок 16 и рисунок 17). 
 
При переработке пластмасс важнейшими задачами являются обеспечение высокого качества изделий при наибольшей производительности. Наиболее надежным показателем качества изделия являются (структурные) надмолекулярные показатели.  
 
Рисунок 16 - Классификация методов изготовления изделий из термопластичных полимерных материалов 
 
 
 
Рисунок 17- Классификация методов изготовления изделий из термореактивных полимерных материалов 
У кристаллизующихся полимеров возможно многообразие надмолекулярных образований на различных стадиях агрегатирования. Поэтому с целью формирования желаемой надмолекулярной структуры применяют различные методы создания заданных свойств путем кристаллизации ориентации и направленной. 
 
Для аморфных полимеров в качестве структурного показателя принимают ориентацию. 
 
Надкристаллическая структура полимеризующихся материалов разнообразна. Даже изделия с одинаковой степенью кристалличности, но полученные в различных условиях, различаются по свойствам. Материал при формовании под воздействием охлаждения расплава и действием напряжения сдвига в каналах течет слоями, что способствует созданию слоевой структуры - разновидности надмолекулярной структуры. Такие структуры характерны для литьевых процессов. Толщина слоев и их структура зависят от способа и режима формования, свойств материала.  
 
Стабильность свойств изделий из полимеров обеспечивается правильным выбором и точностью выполнения режимов формования переработки. 
^ 4.2 Подготовка полимеров к переработке 
 
Технологические свойства, процессы переработки и качество готовой продукции существенно зависят отвлажности и температуры полимера. Придание материалу требуемой влажности сушкой или увлажнением осуществляют на стадии подготовки к формованию.  
 
Влажность полимеров. Молекулы воды полярны и поэтому легко образуют водородные связи с полярными группами полимеров, следствием чего и является возможность поглощать (сорбировать) влагу из атмосферного воздуха. Свойство полимеров поглощать влагу увеличивается с увеличением полярности, уменьшением плотности и степени кристалличности, увеличением дисперсности полимера; некоторые полимеры поглощают до 10 % воды (% по отношению к массе материала). Неполярные полимеры имеют низкую гигроскопичность.  
 
Влияние влажности на свойства и переработку. Увеличение влажности полимера способствует уменьшению текучести и высокоэластичности расплава. Вызывая гидролитическую диструкцию при температурах переработки, влажность влияет на стабильность свойств готовых изделий. Избыток влаги ослабляет внутри- и межмолекулярное взаимодействие; в результате увеличения количества влаги выше необходимого уменьшаются предел текучести, предел прочности, относительное удлинение при разрыве, диэлектрическая прочность и проницаемость, ухудшается прозрачность, затрудняется переработка, на поверхности деталей появляются серебристые полосы, разводы, волнистость, вздутие, пористость, пузыри, раковины, трещины, отслоение поверхности, коробление и размерный брак возникают при литье под давлением и прессовании. Повышение влажности ухудшает сыпучесть материала. 
 
При низком содержании влаги происходит структурирование (разновидность деструкции), сопровождающееся ухудшением текучести полимера.  
 
При эксплуатации изделий из полимеров может измениться их влагосодержание. Это приведет к изменению размеров, физико- механических и диэлектрических свойств, твердости и износостойкости деталей из полимеров.  
 
Из сказанного вытекает необходимость строгого нормирования содержания влаги в полимерах перед переработкой. 
^ 4.3 Сушка полимеров - удаление влаги испарением 
 
Полимеры, склонные к термоокислительной деструкции, сушат только в вакуумных устройствах, что способствует уменьшению термоокислительной диструкции, позволяет повысить температуру и сократить время сушки. 
 
Для сушки полимеров перед переработкой используют вакуум-сушилки, барабанные, турбинные, ленточные и другие типы сушилок.  
 
Для подсушки и подогрева гранулированных и порошкообразных термопластов на литьевых машинах применяют специальные бункеры, оснащенные нагревательной системой. 
 
Иногда влагу и летучие вещества удаляют непосредственно из расплава. В этом случае при пластикации в одном из участков шнека снимают давление и здесь происходит расширение сжатых и нагретых газов. Затем их удаляют вакуум-отсосом.  
 
Подготовка полимеров к переработке. Основной задачей в этом случае является обеспечение требуемой влажности путем сушки или увлажнения, таблетирования, предварительного подогрева.  
 
Обычно влажность полимера после сушки должна быть ниже рекомендуемой перед загрузкой в нагревательный цилиндр перерабатывающего оборудования или прессформу. Сушку полимера следует заканчивать непосредственно перед переработкой, а в случае хранения высушенного материала необходимо хранить такой материал в герметичной таре, а время хранения должно быть минимальное. 
 
Полимеры с низкой гигроскопичностью обычно не сушат. Если такие материалы содержат летучие вещества, то их короткое время подсушивают и подогревают для увеличения производительности при формовании изделий.  
 
Если влажность понижена, то ее повышают путем выдерживания тонкого слоя материала на воздухе; иногда с целью ускорения увлажнения материал опрыскивают водой, спиртом, ацетоном или другими жидкостями.  
^ 4.4 Таблетирование пластмасс  
 
Таблетирование - это формование под действием сжимающего усилия порошкообразных пластмасс для получения таблеток определенной конфигурации, размеров и плотности. Таблетирование позволяет более точно дозировать материал, в значительной мере удалять из него воздух (что повышает теплопроводность), уменьшить размеры загрузочной камеры прессформы, снизить потери материала.  
 
Для таблетирования используют таблеточные машины: ротационные (60-600 циклов мин), эксцентриковые (15-40 цик мин), гидравлические (4-35 цикл мин).  
 
Предварительный нагрев. Предварительному подогреву подвергают только реактопласты (порошки и волокниты)  
 
Предварительный нагрев производится в генераторах токов высокой частоты (ТВЧ) или в контактных нагревателях перед загрузкой его в прессформу с целью интенсификации процесса прессования. 
 
Нагрев ТВЧ уменьшает время выдержки в прессформе, понижает давление прессования, значительно увеличивает срок службы прессформ. Это способствует улучшению качества изделий, увеличению производительности труда и снижению себестоимости изделий. Материал нагревается быстро, равномерно и одновременно по всему объему.  
 
Сущность нагрева пластмасс ТВЧ. Полупроводники и диэлектрики, к которым относят пластмассы, нагреваются в электрическом поле высокой частоты вследствие поляризации элементарных зарядов. Небольшое количество имеющихся в диэлектрике свободных зарядов дополнительно приводит к возникновению тока проводимости. При этом электрическое поле смещается с той же частотой, но с некоторым запаздыванием из-за преодоления сил внутримолекулярного трения, препятствующих смещению зарядов, на что затрачивается определенная энергия, выделяемая в нагреваемом пластике.  
 
^ 5 Способы механической обработки 
Механическую обработку деталей из пластмасс применяют с целью:

1.  
   изготовления более точных, чем при прессовании или литье деталей;
2.  
   изготовления деталей из листовых пластиков, так как эти материалы поставляют в виде листов, плит, труб и фасонных профилей;
3.  
   удаления литников, облоя, грата, пленки в отверстиях и т.п. - отделки (на отдельных заводах трудоемкость этих операций около 80% общей трудоемкости изготовления пластмассовой детали);
4.  
   более экономичного изготовления деталей сложной конфигурации;
5.  
   изготовления деталей в условиях единичного и мелкосерийного производства.

 
Мехобработка пластмасс по сравнению  с обработкой резанием металлов имеет  специфические особенности из-за ее низкой теплопроводности, вязкости, абразивных свойств, которые определяют характерные требования, предъявляемые к конструкции и геометрии режущего инструмента, к конструкции и оснастке станков. 
 
При механообработке пластмасс различают разделительную штамповку и обработку пластмасс резанием. 
 
Разделительную штамповку применяют для изготовления деталей из листовых материалов. При этом выполняют следующие операции: вырубку, пробивку, отрезку, разрезку, обрезку, зачистку. Наиболее распространены операции вырубки, пробивки, разрезки, зачистки. 
 
Обработку пластмасс резанием применяют для отделки (удаления литников, облоя, пленки и др.) после горячего формообразования деталей и как самостоятельный способ изготовления деталей из поделочных пластмасс. При этом выполняют следующие операции: разрезку, точение, фрезерование, сверление, нарезание резьб, шлифование, полирование. 
^ 5.1 Особенности механической обработки 
 
При разделительной штамповке, наряду с известными особенностями для штамповки металлов, имеют место особенности, связанные с резкой анизотропией механических свойств пластмасс в плоскости листа и перпендикулярно ей: расслоение, трещины, ореолы и изменение цвета. Эти особенности вызваны значительными напряжениями сжатия и изгиба, достигающими предела прочности. Расслоение материала по толщине характерно для слоистых пластиков (гетинакса, стеклотекстолита и др.) и возникает по периметру разделения на расстоянии до 3-5 S от поверхности разделения; трещины возникают чаще всего со стороны пуансона у поверхности - поверхностные трещины, сплошные трещины возникают при недостаточном расстоянии между отверстиями; ореолы - вспучивание и изменение цвета материала вдоль периметра отверстия, вызванное расслоением материала. 
 
Особенности обработки металлов резанием полностью относятся и к обработке пластмасс. Однако особенность строения и состава накладывают дополнительные особенности. 
 
Относительная низкая плотность, невысокая прочность и твердость пластмасс обусловливают малое сопротивление пластмасс сжатию и срезу при обработке резанием, и усилия резания оказываются значительно меньшими, чем при обработке металлов. Поэтому появляется возможность применять для обработки пластмасс высокие режимы резания. 
 
При обработке реактопластов образуется стружка надлома, легко рассыпающаяся, а при резании термопластов в большинстве случаев образуется непрерывная сливная стружка. При резании пластмасс возникают сравнительно высокие температуры (до 500 С) на трущихся поверхностях инструмента, а на деталях возникают прижоги. Это объясняется тем, что теплопроводность пластмасс в несколько раз меньше, чем у металлов. 
 
После механообработки в поверхностных слоях детали возникают остаточные напряжения, которые складываясь с монтажными напряжениями (например, при затяжке болтов, винтов), часто приводят к появлению мелких поверхностных трещин. Для уменьшения остаточных напряжений при обработке реактопластов применяют различные технологические приемы: сжатие материала в зоне сверления, попутное фрезерование, многооперационное сверление с минимальным припуском на последнем переходе; для термопластов - умеренный нагрев. 
 
 
^ 6 Метод экструзии 
Процесс экструзии заключается в непрерывном выдавливании расплава полимера через формующую головку, придания ему необходимой конфигурации и последующем охлаждении изделия Течение расплава через формующие головки происходит под действием давления, которое создается шнековым или дисковым экструдером. Экструдер (экструзионная машина) должен обеспечивать передвижение полимера вдоль цилиндра, его плавление и гомогенизацию, а также создание в цилиндре машины гидростатического давления. Методом экструзии изготавливаются трубы, пленки, профили, сетки в основном из термопластичных полимеров полиэтилена, полистирола, поликарбоната, поливинилхлорида и др. Поскольку процесс экструзии осуществляется непрерывно, он является наиболее прогрессивным, так как позволяет производить изделия с небольшими трудовыми и энергетическими затратами при незначительных потерях материалов. 
 
При изготовлении изделий методом экструзии в полимерах протекают в основном физические процессы, например, переход из одного физического или фазового состояния в другое. К химическим процессам, протекающим при экструзии, можно отнести термическую и механическую деструкцию полимеров, обусловленную соответственно высокими температурами и большими сдвиговыми напряжениями, возникающими при течении расплава полимера в рабочих узлах экструдера и формующей головке При обеспечении определенных технологических параметров эти химические про цессы могут быть сведены к минимуму или полностью исключены. 
 
В зависимости от характера процессов, протекающих в экструдере, а также от физического состояния полимера внутри цилиндра в шнековых (червячных) экструзионных машинах обычно выделяют три рабочие зоны: загрузки, плавления и дозирования. Такое разделение носит несколько условный характер, поскольку отсутствуют четкие границы раздела; например, плавление полимера начинается в зоне загрузки, а заканчивается в зоне дозирования. Тем не менее в существующих конструкциях машин имеется геометрическое разделение на зоны, обусловленное размерами шнека. Истинную границу зон в зависимости or состояния полимера можно установить экспериментально или математическими расчетами с учетом конкретных условий работы агрегата.  
 
За зону загрузки обычно принимают длину шнека от загрузочного отверстия до места появления слоя расплава на поверхности цилиндра или шнека. Зона плавления — это участок. шнека от начала плавления до полного расплавления слоя гранул или неполного плавления, но разрушения оставшегося твердого слоя гранул на части, распределения их в расплаве и перехода на движение в результате вязкого течения. В зоне дозирования происходит окончательное плавление оставшихся частиц, выравнивание температуры расплава полимера по сечению и его гомогенизация, т. е. тщательное перемешивание расплава и придание ему однородных свойств за счет сдвиговых деформаций вязкого течения в каналах шнека. 
 
При использовании дисковых экструдеров полимер в виде гранул или порошка поступает в зазор между вращающимся и неподвижным дисками и плавится, благодаря выделению теплоты трения. Поскольку расплав полимера является вязкоупругой жидкостью, то при вращении диска в расплаве возникают нормальные напряжения и создается давление, под действием которого происходит выдавливание полимера через формующую головку. Захват полимерного материала, поступающего из бункера 1 (рисунок 18).  
 
 
1- бункер; 2 - цилиндр; 3 - сетка; 4 – решетка; 5 – оформляющая головка; 6 – червяк. 
 
Рисунок 18 - Схема работы машины непрерывного выдавливания 
в виде гранул, порошка или в форме ленты, в цилиндре 2 и выдавливание последовательно через сетку 3, решетку 4 и профилирующее отверстие оформляющей головки 5 осуществляются червяком 6. Нагрев и расплавление материала происходит под действием тепла, поступающего от устройств 7 внешнего обогрева, и от тепла, образовавшегося при трении в процессе работы червяка, привод которого осуществляется от электродвигателя 8 через вариатор или редуктор 9 и передачу 10. 
 
Непрерывным выдавливанием изготовляют трубы, шланги, пленку, ленту, листы, различные профили, полые выдувные изделия с последующей раздувкой их сжатым воздухом и другие изделия, а также гранулы. Выдавливанием можно покрывать (кашировать), в частности полиэтиленом, бумажные и тканевые ленты и металлические изделия. Процесс выдавливания используется также для пластикации термопластов, удаления из них влаги и летучих веществ. 
^ 6.1 Технология производства труб методом экструзии 
 
Процесс изготовления труб основан на непрерывном выдавливании расплава через кольцевую щель формующей головки с последующим охлаждением и отводом трубы в соответствующие приемные устройства. 
 
Методом экструзии можно изготавливать трубы диаметром от десятых долей миллиметра (капиллярные трубки) до 500 мм и более. Для производства труб могут использоваться термопластичные полимерные материалы, расплав которых имеет необходимое значение вязкости. Как правило, трубы изготовляют из высоковязких сортов полимеров, так как при малой вязкости расплава трудно сохранить заданную форму трубы после выхода ее из формующей головки. Наиболее часто трубы производят из полиэтилена, полипропилена, поливинилхлорида, поликарбоната, полистирола или сополимеров олефинов, винилхлорида, стирола. 
 
Процесс изготовления труб состоит из следующих технологических операций:

1.  
   подготовка сырья;
2.  
   плавление и гомогенизация расплава;
3.  
   формование профиля трубы из расплава;
4.  
   калибрование трубы;
5.  
   охлаждение трубы;
6.  
   намотка или резка;
7.  
   маркировка.

 
Схема агрегата для производства труб показана (рисунок 19). 
 
1- экструдер; 2 — формующая головка: 3 — калибрующая насадка: 4 и 5 — первая и вторая зоны охлаждения; 6 — труба; 7 — измерительно-маркирующее устройство; 8-тянущее устройство: 9 — отрезающее устройство; 10 — приемный стол (штабелирующее устройство) 
 
Рисунок 19 - Агрегат для производства труб методом экструзии 
Гранулы полимера загружают в бункер экструдера 1, где они расплавляются и выдавливаются через формующую трубную головку 2. Трубчатый профиль 6 поступает внутрь калибровочной насадки (гильзы) 3, где частично охлаждается и приобретает необходимые размеры. Внутрь трубы подводится сжатый воздух для прижатия расплава к стенкам насадки или создается вакуум между трубой и насадкой. Затем труба охлаждается в ванне с двумя температурными зонами 4 и 5, проходит маркировку в устройстве 7, протягивается тянущим устройством 8 и разрезается пилой 9. Трубы небольшого диаметра не разрезаются, а сматываются в бухты. 
 
^ 7 Изготовление изделий из термопластов литьем под давлением 
Литье под давлением — наиболее распространенный и прогрессивный метод переработки пластмасс, так как позволяет получать изделия сравнительно сложной конфигурации при небольших затратах труда и энергии. Процесс изготовления изделий основан на заполнении формующей полости формы расплавом с последующим его уплотнением за счет давления и охлаждением.  
 
Этим способом можно перерабатывать все без исключения пластичные полимеры, вид и марки которых выбирают в зависимости от назначения изделий, прочности, теплостойкости и других свойств. Для литья под давлением обычно используют полимеры с показателем текучести расплава от 2 до 7 г/10 мин. Однако можно перерабатывать полимеры и с меньшей текучестью, но при этом требуется более высокая температура, что не всегда допустимо, так как может произойти термическая деструкция. Физико-химические основы литья под давлением аналогичны таковым для экструзии и выдувания пустотелых изделий, однако имеются и некоторые принципиальные отличия. Так, процесс формования происходит в очень короткое время, поэтому расплав впрыскивается в форму (течет) с очень большой скоростью, что, естественно, приводит к дополнительному разогреву и значительной ориентации макромолекул. Степень ориентации повышается также за счет больших сдвиговых напряжений, возникающих в формующей полости, при течении расплава между двумя охлаждаемыми пластинами. Очень быстрое двухстороннее охлаждение расплава приводит к сильному изменению объема, а так как полимер охлаждается снаружи, то образующийся наружный твердый слой полимера препятствует уменьшению объема, поэтому возможно появление утяжин. Для предотвращения этого необходимо перед охлаждением повышать давление в форме до 140-180 МПа. Однако охлаждение под высоким давлением затрудняет протекание релаксационных процессов и сильно изменяет условия кристаллизации. Поскольку литьем под давление изготавливаются изделия сложной конфигурации, очень трудно обеспечить равномерное охлаждение всех их элементов. В связи с этим релаксационные процессы в отдельных местах изделия завершаются на различном уровне, а после охлаждения остаются внутренние остаточные напряжения, вызывающие коробление изделий, снижение их прочности или появление трещин. 
 
Литье под давлением — периодический процесс, в котором технологические операции выполняются в определенной последовательности по замкнутому циклу. Поэтому процесс литья под давлением довольно просто автоматизируется с использованием простейших серийных приборов, таких, как реле времени, регуляторы давления и электронные потенциометры, а с помощью датчиков, преобразующих технологические параметры в электрические сигналы, легко может быть переключен на управление с ЭВМ. Это позволяет существенно повысить эффективность производства. 
^ 7.1 Технология литья под давлением 
 
Технологический процесс литья изделий из термопластичных полимеров состоит из следующих операций: 1) плавление, гомогенизация и дозирование полимера; смыкание формы; подвод узла впрыска к форме; впрыск расплава; выдержка под давлением и отвод узла впрыска; охлаждение изделия; раскрытие формы и извлечение изделия (рисунок 20). 
 
 
 
1 —форма; 2 —сопло; 3 - цилиндр литьевой машины; 4 — шнек; 5 — бункер; 6— поршень узла впрыска; 7 — цилиндр узла впрыска; 8 — изделие 
 
а - формование изделия ; б - раскрытие формы и извлечение 
 
Рисунок 20 - Технологическая схема процесса литья термопластов 
С помощью поршня узла впрыска на шнеке создается усилие подпора, поэтому шнек отходит не свободно, а преодолевая давление подпора. Следует заметить, что давление подпора увеличивает температуру расплава и повышает ее однородность по сечению в каналах шнека. С увеличением частоты вращения шнека неоднородность расплава в его каналах возрастает, поэтому для гомогенизации расплава увеличивают усилие подпора за счет повышения давления масла в цилиндре узла впрыска. Частоту вращения шнека и температуру по зонам цилиндра определяют экспериментально или рассчитывают с учетом размеров шнека и давления подпора. 
 
Шнеки литьевых машин конструктивно отличаются от экструзионных. Они обычно имеют меньшую длину (LID = 15—17) и степень сжатия для них равна i = 2-2,5.Это объясняется тем, что в литьевых машинах не требуется создания во время дозирования высоких давлений и не нужна очень хорошая гомогенизаця, так как при впрыске происходит дополнительный нагрев расплава и он хорошо перемешивается вследствие течения в литниковых каналах. Недостаток в гомогенизации при дозировании восполняется на последующей технологической операции, т. е. при впрыске расплава в форму. Для того чтобы во время впрыска можно было создать внутри цилиндра высокое давление и исключить обратное течение расплава по каналам шнека, на хвостовике шнека устанавливают запорный клапан (рисунок 21а). 
а б 
 
 

 
1— наконечник шнека; 2 — втулка клапана; 3 — шнек 
 
а - запорный клапан  
 
1— наконечник; 2 — клапан; 3 — корпус;  
 
б - самозапирающееся сопло

 
Рисунок 21 
Во время дозирования расплава втулка клапана 2 отжимается расплавом от шнека 3 и полимер течет по продольным пазам между наконечником 1 и втулкой клапана 2. При в прыске (как показано на рисунке 21а втулка прижимается к конической части хвостовика шиека, перекрывает каналы п исключает обратное течение. При переработке не термостойких полимеров (например, жесткого поливпнилхлорида) применяются шнеки без запорного клапана с удлиненным коническим наконечником. В данном случае внутреннее отверстие сопла и переходной втулки изготавливают без уступов, чтобы не возникали застойные зоны. В конце впрыска конический хвостовик шнека входит в коническое отверстие сопла, поэтому расплав почти полностью выдавливается из цилиндра, за счет чего уменьшается время его пребывания в нагретом состоянии и исключается термическая деструкция полимера. Чтобы расплав во время дозирования не вытекал из отверстия сопла, узел впрыска не отводят от формы или выходное отверстие мундштука перекрывается клапаном. Наиболее часто это осуществляется с помощью самозапирающегося сопла (мундштука) (рисунок 21б). При дозировании, когда сопло отведено от формы, расплав давит на клапан 2, смещает его влево и боковые входные отверстия перекрываются корпусом 3. На рисунке 21б клапан показан в открытом виде, когда узел впрыска подведен к форме. 
 
Объем дозы расплава задается значением хода шнека вдоль цилиндра при его вращении за счет изменения расстояния между кулачками конечных выключателей. После того как наберется определенная порция расплава, шток при отходе назад нажимает на конечный выключатель и вращение шнека прекращается. 
 
В отличие от зкструзионных процессов температура по зон; цилиндра узла пластикации устанавливается значительно выше. Это необходимо для уменьшения вязкости расплава, чтобы в момент впрыска в отверстиях сопла и литников не возникали большие перепады давлений. Однако при очень высокой температуре на изделиях образуется облой (грат), т. е. расплав очень сильно затекает в зазоры по линии разъема формы, а это невыгодно. Поэтому температуру расплава выбирают с учетом толщины стенок изделия, площади поверхности отливки, температуры формы и реологических свойств полимера, а также в зависимости от размеров литниковых каналов и термостойкости 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: 
, (4) 
 
где G_изд и G_л — масса изделия и литников;  
 
п - гнездность формы;  
 
t_oхл и t_р — время охлаждения и раскрытия формы. 
После окончания паузы, предусматриваемой по завершении операции извлечения отливки, изготовленной в предыдущем цикле, срабатывает реле времени и включается механизм смыкания. Смыкание формы осуществляется в результате перемещения подвижной плиты термопластавтомата вместе с закрепленной на ней разъемной частью формы и создания определенного усилия. Усилие смыкания Nсм необходимо для исключения раскрытия формы в момент заполнения ее расплавом, оно должно быть равно 
, (5) 
 
где Р_ф- давление в форме, усредненное по площади отливки;  
 
F_изд и F_л — площадь литников в плоскости разъема формы. 
В том случае, когда площадь отливки очень велика и расчетное усилие превышает максимальное усилие смыкания машины, чрезмерно возрастает упругая деформация закрывающих звеньев механизма и изделия после литья имеют толстый облой. Иногда по этой же причине может произойти раскрытие формы. 
 
Подвод узла впрыска к форме производится отдельным механизмом, при зтом сопло цилиндра упирается в литниковую втулку формы и создается необходимое давление, исключающее утечку расплава. В момент подвода узла впрыска сопло должно располагаться соосно с литниковым каналом формы. При использовании самозапирающегося сопло, (рисунок 21б), в момент подвода узла впрыска происходит открытие клапана, так как наконечник 1 упирается в литниковую втулку и перемещает клапан 2 внутрь цилиндра. В этом положении боковые каналы клапана 2 открываются и соединяют между собой полость цилиндра с литниковыми каналами. 
 
^ 7.2 Впрыск расплава 
 
При движении шнека вдоль цилиндра к соплу во время впрыска клапан шнека смещается, перекрывает каналы и исключает обратное течение расплава по каналам шнека. Расплав полимера под действием давления начинает течь через литниковые каналы в формующую полость формы, заполняет ее, а затем под действием давления сжимается. Так как заполнение формы происходит течение очень короткого времени (1—3 с), эту операцию называют впрыском. Вначале расплав заполняет литниковые каналы формы, а затем формующую полость, поэтому давление постепенно повышается. Изменение давления при впрыске ( рисунок 23, отрезок Оа).  
 
 
Оа - заполнение формы расплавом; ab — сжатие; bс — выдержка под давлением; cd — охлаждение изделия 
 
Рисунок 23 - Цикл-диаграмма процесса литья под давлением 
При этом скорость течения принимают, исходя из производительности плунжерного гидравлического насоса литьевой машины, с учетом которой объемный расход расплава через литник равен 
, (6) 
где V_H — объемная производительность гидравлического насоса высокого давления узла впрыска; 
 
R_Ш — радиус шнека пластикатора;  
 
с — число параллельных литниковых каналов на расчетном участке; 
 
R_п — радиус поршня узла впрыска. 
 
Время впрыска определяют по паспортным данным или экспериментально в зависимости от скорости течения и вязкости расплава изменяется количество теплоты, выделяющейся вследствие диссипации энергии вязкого течения, и происходит дополнительный разогрев полимера. Поэтому температура после впрыска Т₂, будет равна: 
, (7)  
где Т— температура расплава в цилиндре литьевой машины; 
 
Δр_м и Δр_л —перепады давления в каналах мундштука и литниках формы.  
 
Изменение температуры при литье под давлением (рисунок 24).