Ugrás a tartalomhoz

A polimertechnika alapjai

Czvikovszky Tibor, Nagy Péter, Gaál János (2007)

Kempelen Farkas Hallgatói Információs Központ

9.4. A fröccsöntés folyamata az állapothatározók függvényében

9.4. A fröccsöntés folyamata az állapothatározók függvényében

Az előbbi (CD) példából is nyilvánvaló, milyen nagy jelentősége van a szigorúan alakhű, mérettartó, vetemedésmentes formaadásnak a fröccsöntésben.

A CD-lemez mikroméretű barázdáinak modulációja vezérli az ezeken a barázdákon visszatükröződő lézerfényt. A domborulatok finomságára és sűrűségére jellemző, hogy az előrejelzések szerint a közeljövőben egyetlen CD-n akár 100 000 db A4-es oldal információit rögzíthetjük(!). Nos, ezt a barázdasűrűséget, ezt a 3D-s alkatrészt kell hibátlanul, torzulásmentesen és gazdaságosan előállítanunk fröccsöntéssel. A fröccsöntési ciklus optimálásában rendkívüli fontossága van a polimerömledék állapothatározói (nyomás, fajtérfogat, hőmérséklet) helyes beállításának.

Az állapothatározók (p, v, T) összefüggését egy tipikus amorf hőre lágyuló polimerre (polisztirol, PS) a 9.5 ábra mutatja.

A 9.5 ábrán látható, hogy elegendően nagy nyomás (többszáz bar) hatására a polimer szilárd állapotában is egy-két %-os mértékben összenyomható, ez az összenyomhatóság (kompresszibilitás) pedig ömledékállapotban még ennél is nagyobb.

A fröccsöntő gépben lejátszódó folyamatokat a gép két fő részében: a fröccsöntő (aggregát) egységben és a szerszámban elemezhetjük. Az első géprészben, a fröccsöntőcsiga mentén lejátszódó reológiai folyamatok egészen hasonlók az extrudercsiga mentén már bemutatottakhoz, így ezt itt nem részletezzük, utalunk az extrúzió (8.2; 8.3; 8.4) fejezeteire.

A szerszámban lejátszódó folyamatokat legjobban a p, v, T állapothatározók függvényében érthetjük meg.

A polimerek fajlagos térfogatát v=1/ρ a külső (hidrosztatikus) nyomás (p) és a hőmérséklet (T) nagymértékben befolyásolja. A polimerek fajtérfogat-változása azonos nyomáson a hőmérséklet függvényében szilárd halmazállapotban is nagyobb mértékű, mint a többi szerkezeti anyag esetében: ez a magasabb hőtágulási együtthatóban is megnyilvánul. Szilárd polimereknél αlin > 10-5/K, míg fémeknél αlin < 10-6/K a lineáris hőtágulási együttható.

A polimer ömledék fajtérfogat-növekedése még nagyobb arányú a növekvő hőmérséklettel. A fajtérfogat – változás érzékenyen megmutatja a Tg üvegesedési hőmérsékleti átmeneteket és még inkább a Tm „olvadási” hőmérsékletet.

A polisztirol fajtérfogatának, hőmérsékletének és nyomásának összefüggése

9.5 ábra: A polisztirol fajtérfogatának, hőmérsékletének és nyomásának összefüggése (p - v - T diagramja) [9.5]

A görbesorozatból szembetűnő, hogy az amorf hőre lágyuló PS fajlagos térfogata néhány száz bar nyomással jelentős mértékben befolyásolható. (Pl. a 200 °C-os PS ömledék 1000 bar nyomás alatt kb. 8 %-kal kisebb fajtérfogatot mutat, mint atmoszférikus nyomáson). Ez azt jelenti, hogy a polimer ömledék, mint (viszkózus) folyadék e nyomásokon összenyomható, kompresszíbilis. Bár kisebb mértékben, de ugyanez állítható a szilárd polimerről is.

Még nagyobb mértékű fajtérfogat változást mutatnak a kristályos hőre lágyuló polimerek. A 9.6 ábra ezt mutatja be. Nyilvánvalóan a kristályos olvadás még nagyobb térfogatváltozással jár. Ha a lehűlő polimer ömledék magasabb fokú rendezett állapotban: kristályrácsban szilárdul meg, az zártabb, nagyobb sűrűségű szilárd anyagot eredményez. Azt is megfigyelhetjük a 9.5 és 9.6 ábrán, hogy a Tm megömlési hőmérséklettartomány is eltolódik a nyomás hatására, a magasabb hőmérsékletek felé.

Spencer és Gilmore írta le először (1950) hogy a polimerömledék állapothatározóit a termodinamikából ismert gáztörvényhez hasonló egyenletbe foglalhatjuk.

9.1. egyenlet -


ahol:

p: a hidrosztatikus nyomás

v: a fajtérfogat

R: az egyetemes gázállandó

T: az abszolút hőmérséklet

M: a polimerlánc monomer-egységének móltömege

a: „kohéziós nyomás”, az anyagra jellemző nyomáskorrekciós állandó

b: a makromolekula saját térfogatát figyelembe vevő korrekciós állandó.

A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) p - v - T diagramja

9.6 ábra: A nagy sűrűségű polietilén (HDPE) p - v - T diagramja [9.5]

A fröccsöntés folyamatát a termodinamikai állapothatározók összefüggésében a következő 9.7 ábra mutatja be.

A fröccsöntési folyamat döntő kitűzési pontjai a p - v - T diagramon a következő lépéseket tükrözik: (9.7 ábra)

A fröccsöntés folyamata egy amorf hőre lágyuló polimer p - v - T diagramján

9.7 ábra:A fröccsöntés folyamata egy amorf hőre lágyuló polimer p - v - T diagramján [9.5]

1-2. A polimer ömledék megtölti a szerszámüreget (befröccsöntés),

2–3. Átkapcsolás utónyomásra,

3–4. Utónyomás, ami egészen a lepecsételődésig tart (4-es pont),

4–5. Az ömledék – közel állandó fajtérfogaton – hűlni kezd, miközben a nyomás csökken.

5-6. Izobár hűlés,

6. Kidobás,

6-7. A termék a szabadban tovább hűl és zsugorodik.

A 9.7 ábra jól bemutatja a fröccsöntési folyamat „műszaki logikáját”. A jelentős termikus dilatáció miatti, nagy fokú zsugorodás csak úgy tartható kézben, ha a fajtérfogat-változás jelentős részét az ömledék erőteljes kompressziójával kompenzáljuk. Az olvadási hőmérséklet (Tm) feletti túlmelegítésre ugyanis a megfelelően alacsony viszkozitás elérése céljából feltétlenül szükség van. Ezt a dilatációt, az 1. és 6. pontok között (tipikusan 3–4 térfogat %), ill. az ebből következő zsugorodást kompenzáljuk az ömledék túlnyomásával. A polimernek az ömledékcsatornában történő megszilárdulása („lepecsételődés”) után természetesen ilyen kompenzációra nincs további mód, az ezután következő zsugorodást (a 6. és a 8. pontok között) nem tudjuk elkerülni, azt csak a szerszám megfelelő méretezésével vehetjük számításba. Ez a tényleges zsugorodás, amely általában- megkönnyíti a készterméknek a szerszámból való kiemelését, műszaki műanyagok esetében néhány tized %-os, a kristályos homopolimerek esetében, azonban mint pl. a közönséges polipropilén, 1,5–2 %-ot is elérhet. (Ezt az értékes adatot mutatják be a 4.1–4.18 táblázatok a szerszámzsugor sorban (58–112. oldal).