Tim Curs Capitolul 2-Prof Univ Opran C-1oct11

TEHNOLIGII INJECŢIE ÎN MATRIŢĂ Capitolul II. Materiale polimerice – caracterizare, proprietăţi

UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCUREŞTI Facultatea Ingineria şi Managementul Sistemelor Tehnologice Catedra Tehnologia Construcţiilor de Maşini Splaiul Independentei - 313; Bucureşti - 060042 - ROMANIA

Constantin OPRAN Prof.univ.Dr.MSc.Ing. © 1 oct.2011

1

MATERIALE POLIMERICE

Caracterizare generală

Materialele polimerice sunt una din clasele importante de materiale artificiale, alături de materialele metalice, materialele compozite şi materialele ceramice. Sub denumirea generică de materiale polimerice sunt indicate materiale artificiale de sinteză, de obicei de natură organică şi constituite, în general, dintr-o structură macromoleculară, la care se adaugă alte ingrediente. Materialele polimerice au ca principal component polimerii sau macromoleculele, cărora li se adaugă diferiţi alţi constituenţi precum: plastifianţi; aditivi pentru creşterea rezistenţei la uzură; absorbanţi de ultraviolete şi stabilizatori la lumină; antioxidanţi; stabilizatori la căldură; substanţe ignifuge; lubrefianţi; agenţi antistatici; agenţi antimicrobieni şi fungistatici; agenţi de expandare; odoranţi; coloranţi; materiale de umplutură speciale. Polimerul este o substanţă obţinută prin polimerizarea mai multor molecule organice, de acelaşi tip sau de tipuri diferite, numite monomeri (meri).

Există macromolecule naturale (celuloza, amidonul, albumina) şi macromolecule derivate direct din substanţe naturale (celuloidul, ebonita). Polimerii artificiali sunt de natură organică (ce conţin carbon, hidrogen şi alte elemente chimice) şi anorganică (ce conţin siliciu, oxigen şi alte elemente chimice). Monomerul (merul) este un compus organic cu greutate moleculară mică şi cu compoziţie simplă, conţinând în molecula sa o anumită nesaturare. Această nesaturare îl face capabil să realizeze legături chimice cu monomeri de acelaşi tip sau de alte tipuri. Astfel se formează lanţuri polimerice sau macromolecule prin reacţia de polimerizare O macromoleculă conţine, în mod obişnuit, sute până la mii de unităţi monomerice.




2

Tipuri de arhitecturi ale polimerilor liniari

Tipuri de copolimeri




3

Unitatea monomerică este gruparea elementară a unui polimer, respectiv un monomer cu legătura dublă covalentă desfăcută. Numărul de unităţi monomerice ai unei macromolecule determină gradul de polimerizare. În practică, gradul de polimerizare este folosit mai rar, preferându-se noţiunea de greutate moleculară. Greutatea moleculară a unui polimer este produsul dintre greutatea moleculară a unităţii monomeric şi gradul de polimerizare. Nu toate lanţurile polimerice din masa unui polimer au aceeaşi lungime (grad de polimerizare). Această variaţie în lungime influenţează proprietăţile polimerului şi de aceea variaţia lungimii este analizată statistic. Realizarea unui polimer artificial se efectuează în două etape: obţinerea monomerului (monomerilor) şi obţinerea polimerului prin polimerizare. Materialul de bază pentru obţinerea monomerilor organici este petrolul. Acesta se distilează şi se obţin benzină uşoară, uleiuri, gaz, păcură şi bitum. Din benzina uşoară, printr-un procedeu numit cracare, se realizează monomerii. O tehnologie alternativă se bazează pe utilizarea gazului natural ca materie primă. Materialele polimerice cuprind două subclase mari de materiale (figura 1):

materiale plastice; elastomeri.

Noţiunea de materiale plastice este o denumire generică a materialelor artificiale de sinteză , de obicei de natură organică , constituite în principal dintr-o structură macromoleculară la care se adaugă diferite ingrediente precum plastifianţi, coloranţi, stabilizatori , etc.

Masa plastică este un produs sintetic obţinut prin polimerizare, rezistent la agenţi chimici obişnuiţi, unele având rezistivitate electrică mare şi putând fi prelucrate uşor. Masa plastică este un termen generic care astăzi se foloseşte mai rar.

Materialele plastice, la temperatura ambianta, sunt dure, puţin elastice şi cu o plasticitate extrem de redusa. La temperaturi ridicate devin lichide vâscoelastice, care pot fi prelucrate cu uşurinţa. Temperaturile la care se prelucrează materialele plastice sunt mult inferioare temperaturilor de prelucrare ale altor clase de materiale. Accepta pigmenţi, ceea ce permite obţinerea unui sortiment coloristic amplu, iar unele prezintă un grad de transparenta ridicat. Elastomerii sunt materiale polimerice capabile de mari deformaţii. Aceste deformări sunt suportate o perioadă relativ limitată. Elastomerii acceptă o serie de aditivi, inclusiv pigmenţi. Pot fi utilizaţi şi ranforsaţi cu fibre polimerice, de sticla, aramidice, metalice. Materialele plastice prezintă anumite particularităţi de structură, de compoziţie şi proprietăţi fizico-mecanice, fiind de tip materie primă, semifabricat, din care sau cu ajutorul căruia se obţin produse finale .




4

Figura 1. Clasificarea polimerilor




5

Polimeri termoplastici PES – Polietersulfonă PEI - Polieterimidă PSU - Polisulfonă PEEK - Poliariletercetonă PPS - Polisulfură de fenilen PC - Policarbonat ABS - Acrilonitril+butadien+stiren PMMA - Polimetacrilat de metil PPO - Polioxid de fenilen PET - Polietilentereftalat PBT - Polibutatilentereftalat POM - Poliacetal PA6 - Poliamidă 6 PS - Polistiren PVC - Policlorură de vinil PE - Polietilenă PP - Polipropilenă




6

Materialele plastice sunt constituite, de obicei, din molecule organice foarte

lungi şi ramificate. Acestea sunt formate prin unirea mai multor grupuri de bază numite monomeri sau meri, care unindu-se între ele formează macromolecule. Numărul de monomeri poate varia de la câteva unităţi la mai multe milioane, în cazul moleculelor mai mari. Ca urmare molecula este un polimer şi procesul de legare al monomerilor, respectiv al macromoleculelor, în polimeri se numeşte polimerizare. Structura macromoleculară a materialelor plastice de obicei este constituită în mod fundamental din compuşi de carbon . Formula structurală a unei molecule organice ce intră în componenţa unui anumit tip de masă plastică organică este : H H ⏐ ⏐ ⎯ C ⎯ C ⎯ ⏐ ⏐

H H În categoria materialelor plastice sunt incluse însă şi acelea de acelaşi tip compus în care , carbonul este substituit de sigiliu. Acestea, ultimele, prezintă structură asemănătoare cu primele, şi se numesc siliconi sau materiale siliconice, care nu fac parte din substanţele organice. Siliconul este un compus macromolecular constituit din lanţuri sau cicluri de atomi de siliciu (Si) care alternează regulat cu atomi de oxigen (O) şi având radicali organici (R) legaţi la atomii de siliciu . Se caracterizează prin rezistenţă la apă şi oxidare şi printr-o mare stabilitate la temperaturi înalte. Poate fi în stare fluidă (exemplu uleiul siliconic) sau stare solidă (exemplu răşini sau cauciucuri). Formula structurală a unei molecule siliconice ce intră în componenţa unui anumit tip de material siliconic este : R R ⏐ ⏐ ⎯ Si ⎯ O ⎯ Si ⎯ O ⎯ ⏐ ⏐ R R Termenul de plastic, are la origine faptul că aceste materiale, sau cel puţin unele dintre ele, în anumite condiţii particulare pot di deformate în aşa fel încât să-şi schimbe permanent forma. Materialele plastice, ca materiale obţinute din polimeri, se prelucrează la temperaturi la care acestea devin plastice în scopul obţinerii produsului finit.




7

Totodată materialele plastice la temperatură şi presiune normală sunt relativ dure, puţin elastice şi lipsite de obicei de proprietăţi elastice. Materialele plastice inginereşti sunt caracterizate ca materiale plastice pe care proiectantul unui produs le selectează pentru înlocuirea altor materiale inginereşti, precum metalele, lemnul, cu scopul de a îmbunătăţi performanţele produsului nou în utilizare. Materialele plastice tehnice sunt caracterizate ca materiale plastice inginereşti dar şi alte materiale plastice utilizate în industrie, precum în industria autovehiculelor, industria electronică, industria chimică. Materialele plastice se împart în: polimerizate, policondensate şi modificate chimic (poliadiţie), după procedeul de sinteză prin care a fost obţinut componentul macromolecular; plastomeri şi elastomeri după comportarea la deformare; termoplastice şi termorigide, după comportarea la încălzire. Pentru utilizarea industrială, materialele termoplastice şi termorigide sunt cunoscute cu termenul general tehnopolimeri - polimeri tehnici. Pentru obţinerea produsului finit prin diverse procedee tehnologice, semifabricatul, respectiv masa de tehnopolimeri se prezintă sub formă de pulbere, sau actual cel mai adesea sub formă de granule cubice de latură 3mm şi granule cilindrice de 3 mm diametrul şi 3 mm lungimea. În cadrul utilizărilor inginereşti se găsesc şi compuşi de materiale plastice din pulbere cu o granulaţie foarte fină pentru producerea de piese speciale, care din motive estetice necesită suprafeţe foarte fine. Unele materiale plastice termorigide se află în stare lichidă la temperatura mediului ambiant (200 C) şi se transformă într-o structură fibroasă compactă, într-un timp relativ scurt, dacă se supun la temperatură ridicată . Aceşti ultimi tipi de polimeri sunt utilizaţi doar pentru cazuri cu totul particulare, precum tehnicile de fabricare rapidă prin generare cu laser (Rapid-Prototyping-Stereolithography). Materialele plastice sunt cunoscute în general ca materiale solide cu greutate specifică mică, rezistenţă mecanică medie, rezistente din punct de vedere chimic, frumos colorate, unele prezentând şi o bună transparenţă optică. Au proprietatea de a fi prelucrate cu uşurinţă sub acţiunea presiunii şi temperaturii. În general, materialele plastice înlocuiesc metalele şi lemnul în scopul micşorării greutăţii piesei finite, sau chiar pielea animală naturală în scopul ieftinirii produsului pentru o gamă variată variate de produse. Exemple sunt masele plastice pe bază de polietilenă, policlorură de vinil, poliesteri, fenoplaste . Unele materiale plastice sunt denumite curent răşini sintetice, termen sinonim cu materiale plastice. Pentru crearea materialelor plastice, ca materiale artificiale de sinteză, omul s-a inspirat din structura materialelor organice naturale precum lemnul, petrolul, cărbunele. Acestea aveau în comun faptul că erau constituite din molecule de




8

dimensiuni mari - macromolecule. Aceste macromolecule la rândul lor, erau compuse grupe mai mici legate prin lanţuri de legătură. Aceste grupe mai mici sunt denumite monomeri sau meri. Imitând natura, omul a reuşit să construiască în laborator, condiţiile necesare pentru formarea macromoleculelor, denumite şi polimeri obţinând astfel materialele plastice. Ca urmare, macromoleculele polimerilor sunt alcătuite din grupe de atomi numite unităţi structurale sau meri, care se repetă mai mult sau mai puţin ordonat în lungul catenei. Numărul de meri ai unei molecule reprezintă gradul de polimerizare. Macromoleculele care prezintă interes din punct de vedere tehnologic sunt acelea a căror masă moleculară depăşeşte 10.000. Polimerul are o structură foarte complexă, obţinut fiind plecând de la monomeri, unindu-le pentru formarea de macromolecule şi apoi unindu-le şi pe acestea. Având în vedere că monomerii utilizaţi sunt aproximativ 40, cea mai mare parte derivaţi din cărbuni şi petrol, în procesul de fabricare a materialelor plastice sunt mai multe variante. Astfel se pune în evidenţă: a) unirea monomerilor de diverse tipuri pentru obţinerea macromoleculelor de diverse tipuri; b)unirea monomerilor de acelaşi tip dar de forme diferite pentru obţinerea macromoleculelor. În unirea macromoleculelor pentru obţinerea materialelor plastice se poate varia: a) poziţia reciprocă a macromoleculelor în spaţiu; b) tipul şi cantitatea legăturilor între macromolecule. Prin cele patru tipuri de modalităţi de uniuni se explică diversitatea mare a materialelor plastice care cuprind materiale elastice, precum elastomeri şi materiale rigide precum răşini epoxidice cât şi elastomerii termoplastici. Procesul ideal pentru fabricarea unui polimer trece prin două faze esenţiale: a) construirea macromoleculei pornind de la monomeri b) construirea materialului plastic prin intermediul unirii macromoleculelor Prima fază este aceea care determină compoziţia chimică a materialului plastic obţinut. A doua fază influenţează în mod determinant structura fizică a materialului plastic obţinut . Polimerii sintetici se obţin prin reacţii de polimerizare,de policondensare şi de poliadiţie. În reacţia de policondensare se leagă între ele molecule de acelaşi fel sau diferite, iar polimerul format are masa moleculară egală cu suma maselor moleculare ale moleculelor din reacţie. În cazul policondensării, combinarea moleculelor simple şi formarea polimerului se face cu punerea în libertate a unor substanţe simple (H2O ,HCl, etc .).




9

În cazul poliadiţiei au loc reacţii prin care două sau mai multe molecule, de acelaşi tip sau diferite, reacţionează pentru a forma un compus ( reacţii de adiţie şi de polimerizare între substanţe di- sau polifuncţionale). Procesul de polimerizare în cursul căruia se leagă între ele molecule de acelaşi fel poate fi reprezentat prin schema nA → (A)n în care A este monomerul, iar n este gradul de polimerizare. Procesul de polimerizare a două molecule diferite A şi B se numeşte copolimerizare şi se poate efectua alternativ (-A-B-A-B-) , întâmplător (-A-A-B-A-B-B-), bloc (-A-A-A-B-B-B-) sau ramificat. Prin copolimerizare se obţin polimeri cu proprietăţi îmbunătăţite faţa de polimerii care au intrat în reacţie. În vederea întrebuinţării lor tehnice materialele plastice se clasifică luând în considerare comportarea termomecanică, care ţine seama de variaţia deformaţiei unui material polimer sub sarcină constantă, în funcţie de temperatură. Din punct de vedere al comportării termomecanice se deosebesc următoarele grupe de polimeri: termoplaste, termorigizi, elastomeri. Substanţele în natură se prezintă în patru stări de agregare: solidă, lichidă, gazoasă şi plasmă. Compuşii macromoleculari există numai în stările de agregare condensate, solidă şi lichidă . Pentru caracterizarea proprietăţilor compuşilor macromoleculari starea de agregare este neconcludentă şi de aceea se defineşte starea de fază, care în sens termodinamic reprezintă o porţiune dintr-un sistem, omogenă din punct de vedere al compoziţiei chimice şi proprietăţilor, separată de restul sistemului prin suprafeţe netede. Se deosebesc două stări de fază ale polimerilor: cristalină şi amorfă. Starea de fază cristalină se caracterizează prin aranjarea pachetelor de macromolecule flexibile în forme regulate formând reţele spaţiale. Pachetul care cristalizează posedă limite de separaţie şi tensiune superficială, însuşiri caracteristice substanţelor cristaline. Starea de fază amorfă este opusul fazei cristaline inplicând elemente structurale neordonate şi fără simetrie. Proprietăţile fizice ale fazei cristaline se schimbă după direcţia de orientare, ele fiind anizotrope, iar ale fazei amorfe nu se schimbă cu orientarea ele fiind izotrope . La compuşii macromoleculari în afara stărilor de agregare şi de fază se defineşte şi conceptul de stare fizică. Polimerii amorfi se prezintă în trei stări fizice: vâscoelastică, înalt elastică şi vitroasă (sticloasă). Acestea se deosebesc intre ele printr-o serie de proprietăţi din modificarea cărora se determină temperaturile de transformare dintr-o stare în alta, cât şi dependenţa lor de structura şi proprietăţile polimerului. Acestea pot fi urmărite de diagrama deformaţie temperatură.




10

Diagrama de stare termodinamică

ε - deformare specifica;

Dependenţa de temperatură a volumului specific al unui polimer: a) cristalin; b) semicristalin.

Starea sticloasă este caracterizată de deformaţii elastice foarte mici care cresc liniar cu temperatura respectând legea lui Hook şi se aplică prin preponderenţa însemnată a forţelor inter- şi intramoleculare asupra energiei de agitaţie termică. Această stare se menţine până la temperatura de vitrifiere Tv . Temperatura de vitrifiere scade cu micşorarea masei moleculare. Starea înalt-elastică începe deasupra temperaturii de vitrifiere. Pe intervalul corespunzător stării înalt elastice deformaţiile cresc rapid la început, după care rămân constante până la temperatura de curgere Tc . În acest domeniu polimerul dezvoltă defromaţii mari, reversibile, datorate mişcărilor termice executate de segmentul de lanţ, fără ca moleculele să se deplaseze independent. Starea vâscoelastică începe în cazul polimerilor amorfi la temperatura Tc . Acest domeniu se caracterizează printr-o mişcare termică intensă a segmentelor de lanţ şi a macromoleculelor în întregime. Temperatura de curgere marchează apariţia,




11

alături de deformaţia elastică reversibilă, a deformaţiei ireversibile. Temperatura de curgere nu reprezintă o valoare fixă ci un interval caracteristic pentru fiecare polimer în parte, în funcţie de configuraţia polimerului, de factori cinetici ( viteza de încălzire ) şi de durata aplicării sarcinii. La Tc energia cinetică a macromoleculelor învinge forţele de coeziune moleculare, ceea ce permite mişcarea lor relativă de alunecare. Temperatura creşte cu mărimea macromoleculelor. Temperaturile caracteristice ale polimerilor sunt: temperatura de vitrifiere Tv , temperatura de curgere Tc , tempertura de fragilizare Tb , temperatura de topire Tt , temperatura de degradare termică Td . Temperatura de fragilizare Tb este temperatura minimă până la care materialul nu este casant. Practic, Tb este temperatura la care o epruvetă de polimer supusă unei solicitări instantanee se rupe. Temperatura de degradare termică Td este temperatura la care începe descompunerea polimerului sub influenţa căldurii. Td depinde de durata solicitării termice. Cu cât gradul de polimerizare este mai mare, cu atât stabilitatea termică a polimerului este mai mică. Temperatura de topire Tt este caracteristică polimerilor cristalini şi marchează trecerea de la starea cristalină solidă la starea lichidă. Din analiza variaţiei volumului specific al polimerilor cu temperatura se constată că polimerii cristalini au o temperatură de topire bine definită, iar polimerii semicristalini se caracterizează atât prin temperatură de topire, cât şi prin temperatură de vitrifiere. Polimerii numiţi “cristalini” sunt de fapt semicristalini cu grad de cristalinitate mai mare de 90% . Temperaturile caracteristice stărilor fizice ale unui polimer amorf depind de starea de fază a polimerului respectiv.

Temperaturile caracteristice stărilor fizice ale unui polimer




12

A-dependenţa stării fizice a polimerilor amorfi faţă de temperatură B-procedee de prelucrare

1. Fază solidă (sticloasă) 2. fază termoelastică (înalt-elastică) 3. fază termoplastică

σd- rezistenta de durata;

σc- limita de rupere;

ε - alungire specifica; Prelucrarea materialelor plastice este dependentă de starea lor fizică, astfel încât un anumit procedeu de prelucrare poate fi aplicat numai într-un anumit interval de temperatură. Prelucrarea materialelor plastice prin injectare, acesta fiind unul din procedeele tehnologice cel mai utilizate, impune cunoaşterea caracteristicilor lor fizice în legătură cu proprietăţile implicate în procesul de prelucrare: schimbare de stare, deformare, curgere. Utilizarea materialelor plastice în schimb, impune cunoaşterea altor caracteristici fizice la injectare: rezistenţa mecanică, comportarea în câmp electric, magnetic sau termic, etc . Cunoaşterea proprietăţilor fizice ale materialelor plastice prelucrate prin injectare este necesară deoarece regimul de lucru, forma şi dimensiunile pieselor şi subansamblelor active ale maşinii depind de valorile caracteristicilor fizice. În maşina de injectat materialul trece din starea solidă ( granulată sau pulverulentă) în starea de topitură. Valorile parametrilor de lucru ai unei maşini de injectat (temperaturi, presiuni, viteze, etc. ) depind de materialul prelucrat caracterizat de proprietăţile sale fizice. Din aceste motive este necesară cunoaşterea proprietăţilor fizice ( termice, reologice, tribologice) ale materialelor plastice în stare solidă, granulară sau pulverulentă, în stare de topitură, precum şi în stare tranzitorie dintre granule sau pulbere şi starea de topitură. Necesitatea cunoaşterii proprietăţilor caracteristice pentru fiecare material plastic în parte este necesară pentru fiecare procedeu tehnologic în parte, întrucât fiecare procedeu tehnologic utilizează anumite materiale plastice din care se obţin anumite produse bine definite destinate fiecare unor anumite scopuri particulare.




13

Modificarea volumului materialelor polimerice la injecţia

în matriţă Modificările de volum sau de densitate la schimbările de temperatură sunt dependente de mărimea forţelor intermoleculare şi de stabilitatea reţelei cristaline. Funcţia temperatură-densitate permite determinarea modificărilor de volum precum şi coeficienţii de alungire α şi β cu relaţiile:

t

t

VV

ρρρ −

=Δ 20

t

t

tt

t

t

t

t

ll

ρρρ

α

ρρρ

β

ρρρ

⋅Δ⋅−

=

⋅Δ−

=

⋅−

=Δ

3

3

20

20

20

unde: ΔV/V - modificarea relativă a volumului Δl/l - modificarea relativă a lungimii ρ20 - densitatea la 200C ρt - densitatea la temperatura t Δt - diferenţa de temperatură β - coeficient de alungire volumică α - coeficient de alungire liniară Expansiunile la topire şi contracţiile de volum la răcire sunt în medie de (4 - 6)%, adaptarea unei tehnologii necorespunzătoare de injecţie, şi proiectare necorespunzătoare a pieselor conducând la apariţia golurilor la răcirea pieselor. Contracţia la răcire nu poate fi compensată de către presiunile utilizate la injecţie. Răcirea se propagă dinspre suprafaţă înspre miez. Se consideră corpul format având o configuraţie de principiu conică, răcindu-se în aşa fel încât partea culeei să se solidifice la urmă. Culee – material solidificat în canalul prin care curge materialul polimeric la injecţie, din echipamentul de injecţie în matriţă.




14

Cu cât este mai mare suprafaţa secţiunii piesei, cu atât este mai mare presiunea şi mai mic unghiul conului, micşorându-se pericolul de formare a golurilor. Conul de curgere are un vârf alungit şi nu trebuie confundat cu conul de răcire. Raportul volumului conului de curgere faţă de volumul total al corpului corespunde diminuării relative a volumului ΔV/V, la răcirea şi solidificarea topiturii, având valori de cca. 0,04 – 0,006.

T

C

VV

VV

=Δ

VC – volumul conului de curgere VT – volumul total al corpului

Problemele legate de menţinerea dimensiunilor, deformarea sau modificarea pieselor sunt pe seama efectelor de volum în legătura cu răcirea şi solidificarea neuniformă sau cu contracţia ulterioară. La injectare sunt contracţii liniare relativ mici de (0,5 – 2)% ca urmare a curgerii ulterioare a materialului în miez, a presiunii ulterioare şi a pereţilor relativ subţiri ai pieselor de injectat. Tensiunile interne mari apar în primul rând datorită modificărilor de volum locale şi de timp, la răcirea înceată a pieselor cu pereţii groşi da la temperatura de îngheţare până la temperatura mediului ambiant. La răcirile intensive, apare la suprafaţă un înveliş solid, care la micşorarea volumului şi a suprafeţei nu se mai poate adapta la răcirea miezului. Piesele cu pereţii groşi se detensionează numai parţial prin temperare şi condiţionare. Procesul de fabricaţie trebuie astfel ales încât să se evite apariţia tensiunilor mari. Se folosesc în general grosimi de perete de (1,2 – 2)mm. Pentru piese miniaturale şi pentru materiale cu indici de curgere mare se poate coborî grosimea piesei injectate până la (0,3 – 0,5)mm. Pentru piese de dimensiuni mari sau cu pereţi groşi se folosesc materiale polimerice expandate. Pentru determinarea grosimii pereţilor unei piese injectate se foloseşte formula:




15

6,05,0100

÷+= CLh

h - grosimea peretelui în (mm) Lc - lungimea drumului de curgere în (mm) Formula este valabilă pentru materiale termoplastice cu vâscozitate mică. Pentru materiale plastice cu vâscozitate mărită (PVC dur, polimetacrilat de metil, etc.) grosimea de perete se măreşte cu 80 – 150% faţă de cea rezultată din calcul. Fenomenul de contracţie se manifestă prin faptul că dimensiunile piesei măsurate după (12 – 24)ore după injectare sunt mai mici decât dimensiunile corespunzătoare ale părţilor active (cuiburi şi poansoane) ale matriţei. Valorile contracţiilor teoretice sunt date în literatura de specialitate pentru fiecare material în parte. Notând o dimensiune nominală a piesei cu h şi abaterile ei cu ±δ, dimensiunea efectivă a piesei va fi (h ± δ). Notând dimensiunea nominală corespunzătoare cuibului cu H şi abaterile ei cu ± Δ, dimensiunea efectivă va fi H ± Δ. Contracţia materialului este dată tabelar prin două valori Cmin şi Cmax

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −⋅−=Δ

−=

+=

2

2;

1

2

minmax

minmax

maxmin

CCH

CCH

ChH

CCC

med

med

fδ

δ

Rezultă că piesele injectate se pot realiza cu o precizie dimensională ridicată numai din materiale polimerice care au contracţii mici şi pentru care dispersia contracţiei variază în limite strânse. Abaterile Δ calculate ca mai sus sunt valabile pentru piese realizate cu părţi active fixe. Dacă piesa se realizează cu părţi active mobile, se ţine seamă de ajustajul părţilor mobile şi de mărimea uzurii previzibile; deci la dimensiunea H se va adăuga ± (0,5 – 0,6)mm.




16

Entalpia şi transportul de căldură

Fabricarea prin injecţie în matriţă a produselor din materiale polimerice decurge în trei faze: a) topirea materiei prime b) transportul topiturii c) răcirea topiturii Entalpia este o mărime termodinamică egală cu suma dintre energia internă a unui corp şi lucrul mecanic de dezlocuire a volumului său la o presiune constantă (cal/g) H H = U + pV

U – energia internă P – presiunea V – volumul specific Materiale polimerice necesită cantităţi mari de căldură pentru a ajunge în stare

de topitură. Prezintă importanţă, variaţia entalpiei ΔH, de la starea iniţiala, temperatura

mediului ambiant, la starea de topitură in domeniul de prelucrare.

dtCHCHts

tpsS

t

pdt ∫+Δ+∫=Δ20

ΔH – variaţia entalpiei (cal/g) Cp – căldura specifică a materialului polimeric în stare netopită, granule

(cal/gxgrd) Cps – căldura specifică a materialului polimeric în stare topită (cal/g x grd) t – temperatura la topire (0C) ts – temperatura topiturii (0C) Cu această valoare se poate determina puterea netă de încălzire, N, necesară

pentru realizarea unei anumite cantităţi de topitură Q (Kg/h) pe un utilaj de injecţie în matriţă.

N = ΔH x Q x 167 x 10-3 (KW) Aceasta determină dimensionarea energetică a maşinii de injecţie, consumul

de energie electrică şi costul de producţie.




17

Trebuie să se ţină cont de limita de solicitare termică a materialului plastic şi

în special de degradările termice ale materialului ca urmare a timpurilor de încălzire lungi.

La temperaturi peste 1200C are loc oxidarea materialelor polimerice. Ca urmare a aportul termic topirea în timpul prelucrării se va face după cum

urmează: - într-un interval de timp scurt (minute) - grosime mică a stratului de material - agitarea permanentă a masei de material sau granule.

Alegerea materialului polimeric

Alegerea materialului polimeric pentru realizarea unui produs injectat în matriţă trebuie să ţină seama de factori tehnico-funcţionali ai produsului şi de factori tehnologici la realizare produs.

1. Factori tehnico-funcţionali: a – durata de viaţa a produsului injectat b – configuraţia piesei c – calităţile optice şi de transparenţă d –solicitări termice în exploatare e - solicitări mecanice f – solicitări de natură electrică g – solicitări de natură chimică h – costul materialului 2. Factori tehnologici: a – uniformitatea granulelor b – conţinutul de apă redus în granulă c – stabilitate termică şi chimică d – contracţii mici la piesele injectate.




18

Proprietăţi caracteristice materialelor polimerice

1. Fizice 1.1 Greutate specifică (g/cm3) 1.2 Indice de refracţie ( - ) 1.3 Posibilităţi de colorare ( - )

2. Mecanice 2.1 Rezistenţa la tracţiune (Kgf/mm2) 2.2 Alungirea la rupere prin tracţiune ( % ) 2.3 Modul de elasticitate la tracţiune (Kgf/mm2)

2.4 Rezistenţa la compresiune (Kgf/mm2) 2.5 Rezistenţa la rupere la flexiune (Kgf/mm2) 2.6 Rezistenţa la şoc pe epruvete crestate (Kgf/mm2) 2.7 Rezistenţa la şoc pe epruvete netede (Kgf/mm2) 2.8 Duritate (Mohs) (U.M) 2.9 Comportarea deformaţie-forţă pe termen scurt 2.10 Deformaţia sub forţa constantă pe termen lung (creep) 3. Termice 3.1 Coeficient liniar de dilatare termică (10-5C) 3.2 Conductivitate calorică (10-4cal/s/cm / 0C) 3.3 Căldură specifică (Cal/g/0C) 3.4 Temperatură de încovoiere sub sarcină (0C) 3.5 Temperatura rezistenţei la căldură continuă (0C) 4. Electrice 4.1 Constanta dielectrică (103Hz) 4.2 Tangenţa unghiului de pierderi (103Hz) 4.3 Rigiditatea dielectrică (Kv/mm) 5. Chimice 5.1 Acţiunea acizilor slabi 5.2 Acţiunea acizilor tari 5.3 Acţiunea solvenţilor organici 6. Tehnologice 6.1 Temperatura de injecţie (0C) 6.2 Presiunea de injecţie (Kgf/cm2) 6.3 Temperatura de presare (0C) 6.4 Contracţia la prelucrare (injecţie sau presare)




19

Proprietăţi reologice ale materialelor polimerice Comportarea reologică a materialelor polimerice, este determinantă la stabilirea parametrilor tehnologici de injecţie în matriţă. Vâscozitatea topiturii, Modificarea volumului, Entalpia şi transportul de căldură, Temperatura la topire, Cristalinitatea, Modificarea densităţii, Masa moleculară şi distribuţia ei, sunt factorii cei mai importanţi care influenţează comportarea reologică, adică deformarea şi curgerea materialelor plastice.

Vâscozitatea topiturii de material polimeric are un rol hotărâtor în procesul de curgere, fiecare tehnologie de injecţie în matriţă, necesitând un domeniu precis determinat al vâscozităţii. Determinarea vâscozităţii topiturilor de materiale polimerice este dificilă, fapt care face ca în practică să se lucreze cu vâscozitatea în soluţie “ηreal” care se găseşte la produsele nereticulate într-o anumită corelaţie cu vâscozitatea topiturii. Vâscozitatea soluţiei este o măsură a masei moleculare şi a capacităţii de curgere, fiind în acelaşi timp un punct de reper pentru vâscozitatea topiturii. Sunt grafice de dependenţă dintre vâscozitatea topiturii, vâscozitatea relativă şi masa moleculară. Vâscozitatea topiturilor materialelor polimerice variază între (500 ÷ 2⋅105) Poise (P) notată cu “η” depinzând de compoziţie şi masă moleculară. Vâscozitatea aparentă se diminuează odată cu creşterea gradientului de forfecare. Vâscozitatea topiturii este influenţată de: - masă moleculară - temperatură - presiune - conţinut de monomer remanent - conţinut de auxiliari de prelucrare din receptură - umiditate.




20

Influenţa temperaturii asupra unor tipuri de polimeri




21

Deformaţia în timp sub forţă constantă

- Deformaţia în timp la forţă constantă - CREEP

- Ec (t,T) = τ0/ε (t,T)

Ec - modul de elasticitate la deformaţia sub forţă constantă t - timp (sec) T - temperatură (0C) ε - deformaţia τ0 - forţă de deformare constantă

Modelul fizic de analiză a deformaţiei în timp sub forţă constantă

e la s tic (E 1 )

e la s tic (E 2 )E le m e n t

E le m e n t

v a s c o s (V 1 )F

E le m e n t

v a s c o s (V 2 )E le m e n t

deform atie tem porizata

d e fo rm a tie

T im p

(E2, V2, V1)

alungire

d e fo rm a tiee la s tica (E 1 )

R e ve n iree la s tica

p e rm a n e n ta (V 1 )d e fo rm a tie

(E 1 )

F(s )

F a n u la t

F a p lic a t

T im p

}

}




22

Rezistenţa la impact a materialelor polimerice - Rezistenţa la impact creşte cu creşterea temperaturii - Proiectarea folosind elementul finit - Aspectul proprietăţilor mecanice - încărcări statice şi încărcări dinamice

Materialele polimerice termoplastice Materialele termoplastice sunt materiale polimerice liniare sau ramificate , care devin moi când se încălzesc şi se resolidifică când se răcesc. Sunt utilizate în special la injecţia în matriţă . Materialele termoplastice se găsesc într-o mare varietate de tipuri şi grade, având proprietăţi caracteristice în domeniul de la forma rigidă la starea elastică. Fabricarea materialelor şi deci a produselor din materiale termoplastice implică doar schimbări de stare fizică ( exemplu schimbarea fazei ), astfel încât pot fi uşor reciclabile . În timpul fabricării au loc totuşi mici schimbări ale stărilor chimice (de exemplu oxidare, degradare termică) aşa încât materiale din generaţia a doua reciclate nu sunt echivalente cu polimerii iniţiali. Clasificarea materialelor termoplastice bazată pe forma sau morfologia lanţului polimeric conduce la următoarele grupe: a) Termoplastice amorfe Polimerii amorfi sunt molecule polimerice fără o formă particulară având o dispunere aleatoare .




23

La încălzire lanţurile polimerice devin mobile (active), având loc o alunecare între ele, rezultând într-o înmuiere gradată şi apoi curgere. Acest caz se întâlneşte în cilindrul extruderului la maşina de injecţie. Cu cât gradul activităţii moleculare creşte, materialul devine mai fluid, până când forţele de atracţie între molecule (atracţia intermoleculară) descreşte şi astfel distanţa medie dintre lanţurile polimerice creşte. După transformarea polimerului în stare topită , polimerul amorf este adus în forma piesei de fabricat (exemplu umplerea matriţei de injecţie ) şi apoi prin răcirea polimerului acesta îşi recapătă rigiditatea, concomitent cu reducerea mobilităţii moleculare. Polimeri precum: polistirenul, policarbonatul şi polimetil-metacrilatul sunt exemple de termoplastice amorfe. b) Termoplastice semi-cristaline Sunt caracterizate ca molecule polimerice având o regularitate şi flexibilitate suficientă construită în cadrul structurii chimice, în aşa fel încât pot forma aranjamente moleculare ordonate mai bine decât dezordonate. Aceste zone ordonate sunt cristale care se formează atunci când materialul termoplastic se răceşte din starea topită. În timpul reîncălzirii, cristalele rămân intacte până când polimerul atinge temperatura cristalină de topire (sau domeniu de temperatură). În starea topită, aceste materiale au configurare amorfă sau aleatoare . Întrucât aceste materiale polimerice conţin zone amorfe sau cristaline se numesc semi-cristaline. Gradul de cristalinitate, de exemplu procentul de elemente cristaline faţă de cele amorfe în cadrul materialului, este influenţat atât de structura chimică a polimerului cât şi de condiţiile de procesare ale materiei prime sau de fabricare ale produsului final. De asemenea o influenţă deosebită o are gradientul cu care materialul topit se răceşte. Parametrii tehnologici de proces care reduc gradientul de răcire, conduc la creşterea, în general, a gradului de cristalinitate . Polimeri precum: polietilena, polipropilena şi poliamidele (nylon) sunt exemple de polimeri semi-cristalini. c) Termoplastice cristale-lichide La fel ca şi termoplasticele semi-cristalinele, termoplasticele cristale-lichide (LCPs), în stare solidă au domenii ordonate de aranjamente ale tipurilor de lanţuri de legături. Pe de altă parte , spre deosebire de polimerii semi-cristalini convenţionali, polimerii LCPs prezintă de asemenea în stare topită aranjamente moleculare ordonate mai multe decât aleatoare . Aceste materiale sunt caracterizate prin tenacitate ridicată , fapt datorat acelor molecule care formează domenii sau trasee paralele. LCPs oferă avantaje privind calităţile produsului final şi fabricării materiei prime precum: vâscozitatea scăzută a materialului topit; contracţia scăzută a piesei injectate în matriţă şi a matriţei; rezistenţa chimică crescută; tenacitate ridicată; rezistenţa la deformaţie sub forţă constantă; stabilitate dimensională în general.




24

Materiale polimerice Termorigide Materialele Termorigide (Termoindurente) sunt polimeri care reacţionează chimic în timpul fabricării, formând o reţea de legătură din lanţuri moleculare. Reacţia chimică este ireversibilă, spre deosebire de termoplastice, termorigidele nu sunt în mod direct reciclabile. Datorită faptului că la injecţia în matriţă a termorigidelor au loc şi o serie de reacţii chimice, la fabricarea produselor se includ în mod adiţional o serie de variabile de proces de reacţie. Materialele termorigide se prelucrează greu şi necesită echipamente speciale de matriţare cât şi experienţă deosebită. Cu toate acestea produsele finale oferă proprietăţi avantajoase la utilizare. Reţeaua de legătură din lanţuri moleculare, caracteristică polimerilor termorigizi conduce la proprietăţi precum rezistenţa excelentă la deformare sub sarcină constantă, stabilitate dimensională şi rezistenţă chimică. Pe dea altă parte, dificultăţile care apar atunci când se fabrică polimerii termorigizi sau când se prelucrează în piese finale cuplate cu lipsa de reciclabilitate, limitează utilizarea lor în multe aplicaţii. Exemple de polimeri termorigizi includ fenolii,răşini epoxidice, poliesterii nesaturaţi şi o varietate a materialelor elastomerice.

Tim Curs Capitolul 2-Prof Univ Opran C-1oct11

Documents

Transcript of Tim Curs Capitolul 2-Prof Univ Opran C-1oct11