Литье под давлением: ТЭП и ТПВ

За последние два десятилетия коммерческое применение термоэластопластов (ТЭП) значительно увеличилось. Ряд типов ТЭП производится серийно и широко применяется во многих областях промышленности. Термопластические вулканизаты (ТПВ) представляют собой тип ТЭП с поперечно сшитой эластичной фазой, обладающий свойствами термопластичной резины. Из всех типов термоэластопластов наиболее активно развиваются вулканизаты ТПВ, поэтому особое внимание к принципу их переработки является важным для понимания основ ТЭП. Другие типы ТЭП можно обозначить как блоксополимеры или полимерные смеси. Блоксополимеры являются ТЭП, по структуре состоящими из блоков резины и жестких блоков, включающими стирольные блоксополимеры (SBC) (например, бутадиен-стирольные блоксополимеры – SBS), сополиэфир ТЭП (COPE), термопластичные уретаны (TPU), сополиамиды (COPA) и литьевые каучуки (MPR). Третьим типом ТЭП являются каучуковые/пластиковые смеси. Сюда относятся термопластичный полиолефиновый эластомер (ТПЭ - ТРО), который является смесью этиленпропиленовых каучуков и полипропилена с ПВХ/бутадиен-нитрильными каучуковыми смесями (PVC/NBR). Основным процессом производства продукции из ТЭП является литье под давлением. Понимание основ данного процесса необходимо для дальнейшего успешного коммерческого использования материалов. В данной статье рассматриваются основные вопросы литья под давлением и главные различия между типами ТЭП. Основным подходом является использование технологии, разработанной для термопластиков, и ее адаптация к свойствам ТЭП. На рисунке ниже представлена деталь из ТРО (ТПЭ), изготовленная путем литья под давлением.

Обзор методов литья ТЭП
Процесс литья под давлением имеет широкое применение в термопластике. Наиболее распространен метод литья полимера в термопластавтомате, состоящего из цилиндра и шнека, когда зона цилиндра наполняется расплавленным полимером перед шнеком с возвратно-поступательным ходом. При заполнении зоны цилиндра он подается вперед для проталкивания расплавленного термопластика или ТЭП по каналам (называемым литниками и торпедами) по узкому проходу (литьевое отверстие) в резервуар формы (гнездо пресс-формы). Как правило, гнездо пресс-формы состоит из двух половин, которые закрываются гидравлической или электрической системой задвижек. По мере наполнения гнезда пресс-формы давление впрыска из шнека увеличивает гнездо. Рабочее давление впрыска составляет до 140 МПа, но при предполагаемом значительном объеме гнезда пресс-формы требуется очень сильное воздействие, чтобы удерживать половины формы закрытыми. Усилие зажима пресс-формы обычно измеряется в тонна-силах и является основным показателем мощности термопластавтомата наряду с площадью поверхности крепежной плиты пресса. Еще одним определяющим фактором является объем впрыска цилиндра, измеряемый обычно в килограммах или унциях впрыскиваемого полистирола.
Уровень давления поддерживается после заполнения пресс-формы во время охлаждения и отверждения ТЭП. При этом требуется компенсировать объемную усадку расплава ТЭП по мере его охлаждения. Таким образом, на данном этапе процесса принципиально важно поддерживать давление впрыска при помощи литьевого шнека. После завершения затвердения давление впрыска становится ненужным, но пресс-форма должна оставаться закрытой усилием смыкания до соответственного остывания детали. Это называется «этап выдержки в форме». На этом этапе шнек снова наполняет цилиндр расплавом ТЭП для его использования в следующем цикле. После выемки детали ТЭП пресс-форма закрывается для начала следующего цикла впрыска.

Методы переработки
Процесс литья под давлением достаточно просто адаптируется к материалам ТЭП. Как правило, различные типы ТЭП хорошо плавятся. Изначально, из-за своей высокой вязкости исключение составляли термопластичные уретаны (TPU), но в последние годы в массовое производство были запущены классы TPU с хорошей плавкостью. Для переработки ТЭП необходимо задать основные переменные величины процесса в соответствии с определенным типом ТЭП.
Основные свойства ТЭП включают:
- температуру плавления,
- вязкость расплава, которая зависит от температуры и скорости сдвига (чем выше уровень впрыска, тем ниже вязкость);
- уровень усадки, по которому определяется размер увеличения гнезда пресс-формы для обеспечения требуемого размера детали.
Температура расплава при переработке напрямую связана с температурой плавления полимера ТЭП. Вязкость расплава при заданной скорости сдвига при переработке напрямую связана с требуемым давлением впрыска и давлением формы. Различные типы ТЭП имеют разные пределы вязкости и термочувствительность, значения которых варьируются в зависимости от типа материала. Таким образом, переработка и литье должны быть настроены на конкретный тип ТЭП и выбранный класс. Это также относится к термопластике в целом. Химический состав и степень полимеризации определяют свойства, обнаруженные в любом взятом ТЭП, что также относится к термопластичным полимерам. В таблице, приведенной ниже, указано сопоставление относительных параметров формования для различных ТЭП.

Особым случаем являются термопластичные вулканизаты ТПВ, так как их структура неоднородна. Термопластичные вулканизаты (ТПВ) представляют собой тип ТЭП с поперечно сшитой эластичной фазой, диспергированной в фазе термопластика. Данная морфологическая структура определяет их высокую зависимость от усадки, то есть, в процессе литья вязкость при высоких уровнях усадки остается достаточно низкой (1000 – 100000 сек-1). Но при очень низкой усадке (и в статичном положении) вязкость достаточно высокая, что придает материалу относительно высокую густоту. Степень пластичности распространенных на рынке классов термопластичных вулканизатов ТПВ значительно варьируется. Некоторые из них предназначены специально для литья под давлением и имеют высокую эффективность. Такие плавкие ТПВ наиболее подходят для литья тонких и трудных для формования частей. Классы ТПВ общего назначения, как правило, также легко поддаются литью и имеют широкое применение, что позволяет избежать использования более дорогих классов. Но при необходимости применения последних, их высокая себестоимость компенсируется за счет устранения проблем в процессе литья.

Производственное оборудование
Различные конструкции термопластавтоматов и установки для формования, применяемые для термопластиков, также эффективно используются для переработки ТЭП:
- Пресс-формы с двумя плитами, холодноканальные
- Пресс-формы с тремя плитами, холодноканальные
- Многогнездные горячеканальные формы с внешним нагревом с применением распределителей, литниковых клапанов и т.д. (Горячеканальные формы с внутренним нагревом пользуются меньшим спросом, но также могут быть эффективны в коммерческих целях при внимательном контроле).
- Двухэтажные пресс-формы
- Пресс-формы для включения металлический частей в пластиковые детали
- Двухступенчатый (последовательный) впрыск, двухцилиндровые или многоцилиндровые установки используются для впрыска нескольких материалов/типов/цветов
- Одновременный впрыск с двумя параллельными цилиндрами (имеет ограниченное применение)
- Газовый впрыск (для выемки толстостенных участков детали)
Работа с ТПВ может быть затруднена в случаях, когда применение средств производства требует потока при низких уровнях усадки, включая, в частности, многогнездные горячеканальные формы с внутренним нагревом и процесс одновременного впрыска. Большинство блоксополимеров ТЭП (SBC, COPE, TPU, MPR) обладают низкой вязкостью, которая обеспечивает эффективность литья под давлением. Каучуковые/пластиковые смеси ТЭП также обладают характеристиками высокой плавкости.

Применение
ТЭП, переработанные литьем под давлением, имеют широкий спектр применений. Детали и продукция из ТЭП, изготовленные литьем под давлением, используется практически во всех областях промышленности, включая:
- Приборные доски автомобилей, обивка и покрытия
- Автомобильные разъемы, чехлы, вакуумные коннекторы, системы контроля воздуха, электрические разъемы, буферы дверей, доводчики и запирающие механизмы
- Внутренние панели управления автомобиля, держатели для чашек, отделка для приборной доски, панелей
- Компоненты медицинского оборудования, клапаны, ножки, пробирочные пробки, поршни для шприцев, трубки
- Бытовые уплотнители, полировальные ленты, ролики, сенсорные кнопки, вакуумные прокладки, детали сушильных барабанов, уплотнители стиральных машин, детали компрессоров холодильников
- Строительные уплотнители, угловые накладки, расширители
- Дорожные указатели, расширительные стыки
- Противоударные бамперы для сельскохозяйственной и строительной техники, уплотнители, ножки ламп, подвески двигателя, виброизоляторы, гидравлические соединители, облицовка валов
- Подставки для электронного/телекоммуникационного оборудования, противоударные покрытия, сенсорные кнопки и панели, кнопочные панели, мебельные колесики, свертывающиеся покрытия
- Электророзетки, соединители, изоляторы, ручки, кабельные зажимы, изоляционные материалы для кабелей, оплетка проводов
- Оболочки шлангов и каркасы трубопроводов для различных жидкостей
- Ручки для инструментов, сенсорные ручки, уплотнители, противоударные покрытия, зажимы кабелей
- Бытовая кухонная посуда, рукоятки, крышки для контейнеров, спринцовки
- Водопроводные прокладки, трубные прокладки
- Мебельные колесики, упругие прокладки
- Покрытия спортивных товаров и игрушек, уплотнители, воздушные шары, нити, ручки, пистолетные ручки, ручки для луков, удочки, насадки для шестов.

Литье под давлением может применяться для производства практически любого трехмерного предмета, который должен быть гибким, упругим, восстанавливаться после деформации, возвращаться в исходное положение, иметь свойства уплотнителя, быть устойчивым к трению, амортизировать удар, иметь высокую прочность на износ, усталость при многократных деформациях, устойчивость к низким температурам или способность к деформации. Во всех областях промышленности применяются компоненты, традиционно производившиеся из термореактивной резины, а теперь являющиеся вероятными кандидатами на формовку из ТЭП. Многие новые компоненты улучшают свои качества, благодаря включению в основную часть различных составных компонентов путем использования ТЭП для упрощения процесса сборки и сокращения себестоимости собранной конструкции.

В настоящее время существует множество материалов ТЭП, которые используются в процессе литья под давлением и обеспечивают целый ряд свойств для удовлетворения потребностей при различных применениях. Как правило, ТЭП обладают высокой плавкостью и легко включаются в различные конструкции. Процесс литья под давлением и конструкции производственного оборудования ТЭП во многом аналогичны общей технологии термопластики. Литье под давлением может применяться для производства практически любого трехмерного предмета, который должен быть гибким, упругим, восстанавливаться после деформации, возвращаться в исходное положение, иметь свойства уплотнителя, быть устойчивым к трению, амортизировать удар, иметь высокую прочность на износ, а также их следует серьезно учитывать при производстве систем, где важна устойчивость конструкции с включением различных элементов, при этом некоторые из указанных выше функций имеют особенное значение.

Кеннет Кир,
http://www.omnexus.com

Источник: «NEWCHEMISTRY.ru» - аналитический портал химической промышленности
www.newchemistry.ru