Из сказанного вытекает необходимость строгого нормирования содержания влаги в полимерах перед переработкой.
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 переработкойэ 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.
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, понижаетдавление 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. Нагреву ТВЧ подвергаются пластмассы, у которых тангенс угла диэлектрических потерь не менее сотых долей единицы.
Количество выделившегося тепла пропорционально частоте электрического поля.
Для нагрева пластмасс используют высокие частоты ( >10 Мгц).
Напряжение на пластинах конденсатора не превышает 8000 В.
4.2.2. Особенности формования аморфных полимеров
Аморфные полимеры при изготовлении из них расплава изделий переходят в твердое состояние без изменения фазового (аморфного) состояния. Параметром изменения надмолекулярной структуры полимеров является степень ориентации. Ориентация макромолекул связана со сдвигом материала под действием напряжений в процессе формования.
В процессе течения высокоэластичная деформация достигает определенной величины, определяемой свойствами материала, режимами и условиями течения. Поэтому после заполнения формы она (высокоэластичная деформация) релаксирует (уменьшается). Но из-за охлаждения материала в прессформе (температура прессформы ниже температуры стеклования) уменьшается скорость релаксации. Уменьшение скорости и ограничение продолжительности релаксационного процесса приводит к остаточной (неполной) релаксации (сохраняющейся в деталях). Часть ориентированных полимерных цепей при этом остаются “замороженными” в неравновесных конформациях.
Ориентация распределена в продольном и поперечном сечении детали неравномерно. В результате возможности релаксации в начальные моменты впуска материала в прессформу ориентация уменьшена (отсутствие давления и неполный контакт с прессформой). Далее при двухмерном течении (к стенкам прессформы и вглубь ее) по радиусу и длине ориентация неравномерна, а ее характер распределения определяет режим течения.
Эксплуатационные свойства изделий из аморфных полимеров существенно зависят от степени ориентации в процессе формования: упорядоченная при ориентации структура полимера приводит к увеличению прочности в направлении течения и уменьшению прочности в направлении перпендикулярном течению материала, образованию внутренних напряжений. Это может приводить к растрескиванию изделий, образованию микротрещин (ухудшению оптических свойств, помутнению, появлению серебрения) особенно в местах спая встречных потоков материала, короблению, снижению размерной стабильности.
4.2.3. Особенности формования кристаллизующихся полимеров
При формовании изделия, расплав полимера кристаллизуется в результате теплопередачи его тепла более холодным стенкам прессформы. Скорость охлаждения в разных слоях различна: в слоях, касающихся прессформы - наибольшая, в средних слоях - наименьшая. Скорость охлаждения и напряжение сдвига существенно влияют на структурообразование. Выделяют две предельных скорости охлаждения V¢пр и V²пр (рис.12) и два предельных напряжения сдвига t¢пр и t²пр (рис.13), которые условно разграничивают зависимость размеров и структурных образований на три участка. При охлаждении с высокими скоростями, больше V²пр, кристаллизация материала сопровождается только образованием зачатков кристаллитов и ламелярных образований; при охлаждении с низкими скоростями, ниже V¢пр, в полимере формируются развитые сферолиты; при охлаждении спромежуточной скоростью, в пределах V¢пр - V²пр, формируются промежуточные структурные образования, пропорционально скорости охлаждения. Охлаждение расплава полимера при низких напряжениях сдвига, меньше t¢пр, практически не создает деформированных сферолитов, они симметричны; при деформировании с высокими напряжениями сдвига, выше t²пр (рис.13), формируются сноповидные или стержневые образования (вытянутые в направлении течения); при промежуточных напряжениях сдвига в процессе формования (t¢пр - t²пр) получают ориентированные сферолиты, степень ориентации зависит от напряжения сдвига.
Формирование слоевой структуры проявляется из-за интенсивного охлаждения и больших сдвиговых напряжений особенно при литье под давлением. Поэтому структура деталей сложная. В поперечном сечении детали выделяют три структурные области, формируемые в три основных периода процесса литья под давлением (рис.14).
Первая структурная область - поверхностная оболочка (б), образуется в период заполнения прессформы; вторая область - средний слой ( b ), формируется в период нарастания давления и выдержки под давлением; третья область - центральный слой (j ), образуется в период спада давления. Поверхностная оболочка может состоять из трех слоев (рис.14): первый слой - наружный - состоит из кристаллитов или ломелярных образований, она образуется при быстром охлаждении расплава и ориентации расплава при значительных напряжениях сдвига: слои материала в потоке поворачиваются и растягиваются - ориентируются; а при соприкосновении со стенками прессформы достигнутая ориентация фиксируется; средний слой (рис.14) - зона неразвитых сферолитов, которые либо слабо деформированы - ориентированы, либо недеформированы, так как эти слои охлаждаются со средними скоростями ( интервал V¢пр - V²пр), причем сферолитные образования , проходящие с низкими напряжениями сдвига получают недеформированными, а при напряжениях сдвига t²пр > t >t¢пр получают несимметричные - ориентированные сферолиты;центральный слой возникает при заполнении прессформыс высокими напряжениями сдвига, более t²пр, здесь получают сноповидные сферолиты - ориентированное состояние.
Средняя зона может состоять из двух слоев с различными размерами сферолитов (рис.14): в наружном слое этой зоны, охлаждающемся со скоростью больше V¢пр возникают неразвитые сферолиты, внутренние слои охлаждаются с меньшими скоростями, меньшими V¢пр, и поэтому в ней возникают развитые сферолитные образования ( в это время, в период подпитки, низкие скорости течения и низкие напряжения сдвига). В случае литья материала в подогретую форму образуется одна зона, а скорость охлаждения в различных слоях зоны ниже предельной V¢пр.
Центральная зона может состоять также из двух зон (рис.14). Эта зона образуется при охлаждении с низкими скоростями охлаждения и почти без сдвиговых напряжений, поэтому она состоит из развитых неориентированных сферолитов. Образование двух слоев определяют условия формования: наружный слой - без микропор, внутренний с микропорами; при охлаждении под давлением микропоры не возникают, при частичном охлаждении под давлением в незатвердевшем до снятия давления материале в результате усадки возникают микропоры.