Ocena efektywno¥â€ci wybranych ¥â€rodk£³w poruj¤cych w procesie yadda.icm.edu.pl/yadda/element/ ...¢ 

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of Ocena efektywno¥â€ci wybranych ¥â€rodk£³w poruj¤cych...

  • 2017, 62, nr 6 447

    Ocena efektywności wybranych środków porujących w procesie wtryskiwania wyprasek z tworzyw termoplastycznych

    Paweł Palutkiewicz1), *), Tomasz Garbacz2)

    DOI: dx.doi.org/10.14314/polimery.2017.447

    Streszczenie: Zbadano efektywność porowania chemicznego, realizowanego przy użyciu różnych po- roforów, w procesie wtryskiwania polietylenu dużej gęstości (HDPE). Wykorzystano sześć rodzajów poroforów – cztery endotermiczne oraz dwa egzotermiczne. Wypraski wytwarzano z zastosowaniem ciśnienia docisku, a także bez niego. Oceniano masę, gęstość, stabilność wymiarową, stan powierzchni oraz strukturę uzyskanych wyprasek, a także przetwarzalność mieszaniny uplastycznionego tworzy- wa z poroforem na podstawie jej przepływu przez formę wtryskową wyposażoną w gniazdo spiralne specjalnej konstrukcji. Z wykorzystaniem stanowiska badawczego własnej konstrukcji zbadano rozrost porów, oznaczono też masowy wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) mieszaniny tworzywa z porofora- mi. Słowa kluczowe: wtryskiwanie, porowanie chemiczne, porofory, właściwości fizyczne, forma spiralna.

    Assessment of the effectiveness of selected blowing agents in the injection molding of thermoplastic materials Abstract: The aim of this work was to evaluate the effectiveness of chemical blowing by using various blowing agents in the process of high density polyethylene (HDPE) injection molding. Six types of blow- ing agents were used, including four endothermic and two exothermic ones. The parts were molded either with or without holding pressure. The mass, density, dimensional stability, surface state and structure of molded parts were assessed. Also, the processability of the mixture of plasticized HDPE with blowing agent was evaluated on the basis of its flow into the injection mold with spiral cavity. The growth of pores and mass flow rate (MFR) of the plastic-blowing agent mixture were investigated using a self-designed test stand. Keywords: injection molding, chemical blowing, blowing agents, physical properties, spiral mold.

    Strukturę porowatą wyprasek wtryskowych uzysku- je się w wyniku dodania do tworzywa chemicznego środka porującego (poroforu chemicznego) lub wprowa- dzenia gazu obojętnego (poroforu fizycznego) do two- rzywa uplastycznionego w układzie uplastyczniającym wtryskarki lub bezpośrednio do gniazda formujące- go. W procesie wtryskiwania porującego struktura po- rowata powstaje na drodze rozkładu poroforu lub jego reakcji z tworzywem uplastycznionym w temperaturze przetwórstwa, wydzieleniu się gazowych produktów rozkładu i zmieszaniu się ich z uplastycznionym two-

    rzywem. Porofory, dodawane w takim procesie do two- rzywa w ilości 0,5–3,0 % mas., są łatwopalnymi substan- cjami chlorowanymi lub środkami chemicznymi, które podczas rozkładu wydzielają: azot, wodór, ditlenek oraz tlenek węgla [1]. W procesie wtryskiwania najczęściej sto- suje się mieszaniny wodorowęglanu sodu i pochodnych kwasu cytrynowego [2, 3].

    Wybór poroforu zależy od rodzaju wtryskiwanego tworzywa, ceny środka porującego, dogodności i bez- pieczeństwa jego stosowania, rodzaju i ilości gazu po- wstającego w wyniku rozkładu, a także od typu reakcji przebiegającej podczas procesu (egzotermiczna lub en- dotermiczna). Porofory egzotermiczne to substancje po- chodzenia organicznego, rozkładające się z uwolnieniem azotu. Podczas ich rozkładu wydziela się ciepło, czego skutkiem jest wzrost temperatury tworzywa oraz ciś- nienia gazu. Porofory endotermiczne natomiast to sub- stancje pochodzenia nieorganicznego, rozkładające się z wydzieleniem ditlenku węgla. Użycie poroforów endo-

    1) Politechnika Częstochowska, Wydział Inżynierii Mecha- nicznej i Informatyki, Instytut Technologii Mechanicznych, Zakład Przetwórstwa Polimerów, al. Armii Krajowej 19c, 42-201 Częstochowa. 2) Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny, Katedra Pro- cesów Polimerowych, ul. Nadbystrzycka 36, 20-618 Lublin. *) Autor do korespondencji; e-mail: palutkiewicz@ipp.pcz.pl

  • 448 POLIMERY 2017, 62, nr 6

    termicznych wpływa na przyspieszenie chłodzenia wy- praski oraz zmniejszenie ciśnienia gazu w jej wnętrzu, co umożliwia skrócenie fazy ochładzania, a w konsekwen- cji czasu całego cyklu wtryskiwania [3, 4]. Zastosowanie poroforów endotermicznych umożliwia uzyskanie struk- tury porowatej o mniejszych wymiarach porów, dobrej jakości powierzchni wypraski oraz jej właściwości me- chanicznych korzystniejszych niż w wypadku użycia po- roforów egzotermicznych.

    Proces obejmujący powstawanie oraz rozrost porów jest procesem złożonym, zależnym nie tylko od typu polimeru i zastosowanego gazu, ale także od warun- ków wtryskiwania i grubości wytwarzanej wypraski oraz rodzaju dodatkowo użytych napełniaczy. Wymia- ry oraz rozłożenie porów w tworzywie mają wpływ na właściwości wyprasek. Rosnące ciśnienie występujące w gnieździe formującym podczas jego wypełniania upla- stycznionym tworzywem sprzyja powstawaniu dużych gazowych porów w rdzeniu wypraski i w obszarach po- łożonych w większej odległości od przewężki, przy czym wymiary tych porów zmniejszają się stopniowo w kie- runku warstwy litej. Otrzymane w ten sposób wytwory są lekkie, mają kształt i wymiary lepiej odwzorowujące gniazdo formujące, ale charakteryzują się mniejszą niż wytwory lite wytrzymałością mechaniczną. W ostatnich latach z powodzeniem stosuje się porofory chemiczne, modyfikujące strukturę tworzyw konstrukcyjnych i po- garszające ich wytrzymałość mechaniczną – w stosunku do wytworów litych – nie więcej niż o 10 %. W szcze- gólności dotyczy to tworzyw napełnionych włóknami, przetwarzanych metodą wtryskiwania [5, 6]. Jedynie w wypadku wytłaczania uzyskuje się wytłoczyny, które rzeczywiście charakteryzują się gorszymi właściwościa- mi mechanicznymi niż wytłoczyny lite, ponieważ liczba i wymiary porów otrzymanych tą metodą są znacznie większe niż otrzymane w procesie wtryskiwania.

    Znany jest również proces wtryskiwania mikroporu- jącego (MuCell, ErgoCell, Optifoam, Cellmould), polega- jący na wprowadzeniu gazu porującego w stanie nad- krytycznym do tworzywa uplastycznionego w układzie uplastyczniającym wtryskarki lub w specjalnej głowicy, umieszczonej pomiędzy układem uplastyczniającym a formą wtryskową, i wytworzeniu roztworu wtryski- wanego następnie do formy [7–17]. W wyniku gwał- townego i dużego zmniejszenia ciśnienia w gnieździe przebiega proces nukleacji dużej liczby zarodków, przy- czyniających się do powstawania mikroporów. Rozrasta- nie mikroporów jest zależne od warunków prowadzenia procesu wtryskiwania, głównie ciśnienia i temperatury tworzywa oraz formy wtryskowej. Do ostatecznego ufor- mowania wypraski dochodzi w gnieździe formującym, przy czym rolę ciśnienia docisku przejmuje ciśnienie gazu wewnątrz powiększających się porów. Właściwości mechaniczne wyprasek mikroporowatych są tylko nie- znacznie gorsze od właściwości mechanicznych wypra- sek litych z tego samego tworzywa, jednak taki proces musi być realizowany z zastosowaniem wtryskarek wy-

    posażonych w kosztowne, specjalne oprzyrządowanie do dozowania gazu porującego. Wypraski uzyskiwane w technologii mikroporowania gazem obojętnym wyka- zują niewielkie pogorszenie wytrzymałości na rozciąga- nie oraz modułu sprężystości wzdłużnej w porównaniu z wartościami odpowiadającymi wypraskom litym. Po- dobne efekty można uzyskać z wykorzystaniem porofo- rów chemicznych, a proces wtryskiwania jest wówczas możliwy do przeprowadzenia przy użyciu konwencjo- nalnych wtryskarek, co jest szczególnie istotne ze wzglę- dów ekonomicznych.

    Celem przedstawionych badań była ocena efektyw- ności procesu porowania przy użyciu różnych środków porujących (poroforów chemicznych) oraz ich wpływu na wybrane właściwości wyprasek wtryskowych z poli- etylenu dużej gęstości HDPE. Oznaczano zmianę masy i gęstości wyprasek, ich grubość oraz jakość powierzch- ni (połysk, barwa). Badano także właściwości reologicz- ne wtryskiwanego tworzywa, jego masowy wskaźnik szybkości płynięcia i zdolność do płynięcia w specjalnej formie spiralnej, porównano też intensywność porowa- nia z zastosowaniem różnych poroforów w specjalnym przyrządzie własnej konstrukcji. Na podstawie obserwa- cji mikroskopowych powierzchni przekrojów oceniano strukturę uzyskanych próbek porowatych.

    CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA

    Materiały

    W badaniach stosowano polietylen dużej gęstości HDPE o nazwie handlowej Hostalen GC 7260 (Basell Po- lyolefins), o naturalnej białej barwie, temperaturze mięk- nienia wg Vicata równej 154 °C i masowym wskaźni- ku szybkości płynięcia (MFR) wynoszącym 8 g/10 min (wyznaczonym w temperaturze 190 °C i przy obciążeniu 2,16 kg). W procesie wytwarzania próbek do HDPE nie dodawano barwników i pigmentów. Strukturę porowa- tą wyprasek uzyskano w wyniku dodania do tworzy- wa 2 % mas. poroforu. Charakterystykę zastosowanych środków porujących przedstawiono w tabeli 1. Ilość do- danego poroforu określano na podstawie wyników wcze- śniejszych badań [6], gdzie wykazano, że użycie 2 % mas. poroforu pozwala na uzyskanie wyprasek o dużej do- kładności wymiarowej, bez zapadnięć i o dostatecznie dobrych właściwościach mechanicznych.

    Przygotowanie próbek do badań

    Wypraski w postaci wiosełek do statycznej próby roz- ciągania, typu 1A o grubości 4 mm, wytwarzano zgod- ne z normą PN-EN ISO 527-2:2012 z zastosowaniem formy dwugniazdowej przy użyciu wtryskarki firmy Krauss-Maffei KM65-1