Technologie vstøikování termoplastù se vemi svými modifikacemi má mezi zpracovatelskými plastikáøskými technologiemi zásadní význam. Pøi pouití technologie vstøikování se z pøísluného granulátu pøipraví tavenina, která je dopravena do tvarové dutiny vstøikovací formy. Po ochlazení výstøiku v dutinì formy je tento z ní vyhozen a po zhodnocení poadovaných jakostních parametrù pøipraven k pouití. Základní poznatky vedoucí k objasnìní procesù probíhajících pøi vstøikování termoplastù jsou rozepsány v sedmi hlavních kapitolách. Po seznámení se s termoplasty pro vstøikování je mezi základními pojmy uvedeno smrtìní, jeho definice, faktory ovlivòující smrtìní, jeho vliv na deformace výstøikù, rozmìrová pøesnost, vèetnì praktických závìrù. Pozornost je dále vìnována základním pøedpokladùm pro vstøikování výstøikù z termoplastù s definovanými vlastnostmi, tj. seøizování a optimalizace vstøikovacího procesu. V knize jsou uvedeny základní údaje pro vstøikování jednotlivých druhù termoplastù polyolefiny, styrenové polymery, PMMA, PA, PC, POM, lineární polyestery(PBT, PET), LCP, vysoce teplotnì a chemicky odolné termoplasty, termoplasty s dlouhými sklenìnými vlákny, TPE. Je diskutována problematika suení a kondicionace, vèetnì problematiky odvzdunìní vstøikovacích forem. Text je doplnìn mnostvím problematiku ilustrujících obrázkù a celou øadou pøehledných tabulek. Publikace takového souborného rozsahu v èetinì dosud nevyla. Kniha je urèena celé plastikáøské veøejnosti, zejména ji lze vyuít pro výuku v oboru vstøikování termoplastù na støedních a vysokých kolách, vèetnì doplnìní znalostí technologù a seøizovaèù pøi vstøikování termoplastù.
Lubomír Zeman
Vstøikování plastù Bez pøedchozího písemného svolení nakladatelství nesmí být kterákoli èást kopírována nebo rozmnoována jakoukoli formou (tisk, fotokopie, mikrofilm nebo jiný postup), zadána do informaèního systému nebo pøenáena v jiné formì èi jinými prostøedky. Autor a nakladatelství nepøejímají záruku za správnost titìných materiálù. Pøedkládané informace jsou zveøejnìny bez ohledu na pøípadné patenty tøetích osob. Nároky na odkodnìní na základì zmìn, chyb nebo vynechání jsou zásadnì vylouèeny. Vechny registrované nebo jiné obchodní známky pouité v této knize jsou majetkem jejich vlastníkù. Uvedením nejsou zpochybnìna z toho vyplývající vlastnická práva. Vekerá práva vyhrazena © Lubomír Zeman, 2009 © Nakladatelství BEN technická literatura, Vìínova 5, Praha 10
Lubomír Zeman, VSTØIKOVÁNÍ PLASTÙ BEN technická literatura, Praha 2009 1. vydání
ISBN 978-80-7300-250-3
Obsah 1
ÚVOD DO VSTØIKOVÁNÍ TERMOPLASTÙ
1.1
Historický úvod ....................................................................... 12
1.2
Úvod do souèasnosti .............................................................. 13
2
TERMOPLASTY PRO VSTØIKOVÁNÍ
2.1
Vznik makromolekul ............................................................... 16
2.2
Základní rozdìlení plastù vhodných pro vstøikování .......... 16
2.3
Nadmolekulární struktura polymerù ..................................... 19
2.4
Charakteristické teploty polymerù ........................................ 20
2.5
Reologie polymerních tavenin, disipaèní ohøev tavenin, fontánový tok ........................................................................... 20
2.6
Úprava polymerù pro zpracování a pouití ........................... 21
2.6.1
Pøísady formulující zpracovatelnost tavenin .............................................. 21
2.6.2.1 2.6.2.2 2.6.2.3 2.6.2.4 2.6.2.5 2.6.2.6 2.6.2.7 2.6.2.7.1 2.6.2.7.2 2.6.2.7.3 2.6.2.7.4
Stabilizátory ....................................................................................................................... 21 Plastifikátory (zmìkèovadla) ............................................................................................. 21 Polymerní modifikátory ...................................................................................................... 21 Koncentráty lubrikantù, nukleaèních èinidel a antistatik ................................................... 22 Retardéry hoøení ............................................................................................................... 22 Barviva, pigmenty, barevné koncentráty, optická zjasòovadla .......................................... 22 Plniva kompozitní materiály ........................................................................................... 23 Plniva èásticová ................................................................................................................. 23 Vyztuující plniva ............................................................................................................... 23 Nanoplniva ........................................................................................................................ 24 Kompozitní slitiny, smìsi, blendy ....................................................................................... 24
2.7
Fyzikální procesy probíhající v polymerech pøi jejich zpracování vstøikováním ........................................................ 25
3
SMRTÌNÍ TERMOPLASTÙ ZÁKLADY
3.1
Základní pojmy a definice ...................................................... 28
3.1.1
Smrtìní úvod ........................................................................................ 28
3.1.2
Smrtìní tepelná kontrakce, pvT chování termoplastù .......................... 28
3.1.3
Objemové a lineární smrtìní ................................................................... 31
A
Obsah
11
15
27
3
3.1.4
4
Lineární smrtìní a normalizace, definice lineárního smrtìní, dosmrtìní, anizotropie smrtìní .............................................................. 33
3.1.5
Smrtìní a konstrukce výstøikù a forem .................................................... 35
3.1.5.1 3.1.5.2 3.1.5.3
Zmìny rozmìrù výstøikù z termoplastù ............................................................................. 36 Anizotropie rozmìrových zmìn ......................................................................................... 38 Rozmìrová a tvarová pøesnost výstøikù z termoplastù ..................................................... 38
3.2
Faktory ovlivòující smrtìní ................................................... 39
3.2.1
Materiál ..................................................................................................... 40
3.2.1.1 3.2.1.2 3.2.1.3
Amorfní a èásteènì krystalické plasty ............................................................................... 40 Krystalizaèní chování a jeho vliv na smrtìní ................................................................... 41 Plniva a plnìné materiály .................................................................................................. 43
3.2.2
Kvalitativní korelace mezi procesními parametry a výrobním smrtìním .. 44
3.2.2.1 3.2.2.2 3.2.2.3 3.2.2.4 3.2.2.5 3.2.2.6
Doba dotlaku ..................................................................................................................... 45 Tlaková úroveò dotlaku ..................................................................................................... 46 Teplota stìny formy ........................................................................................................... 47 Teplota taveniny ................................................................................................................ 47 Vstøikovací rychlost (doba plnìní tvarové dutiny formy) ................................................... 48 Teplota vyhazování výstøiku z formy (doba chlazení) ....................................................... 48
3.2.3
Konstrukce výstøikù ................................................................................... 48
3.2.3.1 3.2.3.2 3.2.3.3
Tlouka stìn ..................................................................................................................... 48 Zmenení tlouky stìny na konci dráhy toku taveniny .................................................... 50 Vliv eber na výstøiku ........................................................................................................ 50
3.2.4
Forma ........................................................................................................ 50
3.2.4.1 3.2.4.2 3.2.4.3 3.2.4.4 3.2.4.5
Temperace chlazení formy ............................................................................................. 50 Odpor proti toku taveniny ve formì ................................................................................... 51 Prùøez a délka rozvádìcích kanálù formy ......................................................................... 52 Velikost prùøez ústí vtoku ............................................................................................... 52 Umístìní ústí vtoku na výstøiku ......................................................................................... 52
3.3
Smrtìní vybrané praktické závìry .................................... 53
3.3.1
Geometrie výstøiku, tlouka jeho stìn ...................................................... 53
3.3.2
Monosti sníení smrtìní ......................................................................... 55
3.3.2.1 3.3.2.2 3.3.2.3 3.3.2.4
Konstrukce výstøik, forma ............................................................................................... 55 Vliv procesních parametrù amorfní polymery ................................................................ 55 Vliv procesních parametrù èásteènì krystalické polymery ............................................ 55 Vliv sloení materiálu èásteènì krystalické polymery .................................................... 56
3.4
Smrtìní a jeho vliv na deformace ........................................ 57
3.4.1
Deformace ................................................................................................. 57
3.4.2
Vnitøní pnutí ............................................................................................... 61
3.4.3
Propadliny staeniny, dutiny lunkry ..................................................... 64
3.5
Smrtìní a základní tvary výstøikù ........................................ 64
3.5.1
Deska s konstantní tloukou stìny .......................................................... 64
3.5.2
Deska s rozdílnou tloukou stìny ............................................................ 66
L. Zeman: Vstøikování plastù
A
3.5.3
Deformace rohù, úhlù, nebezpeèí tvorby lunkrù ........................................ 67
3.5.4
T-profil, ebro ............................................................................................ 68
3.5.5
Krabice se dnem ....................................................................................... 70
3.5.6
Krabice s pøepákou ................................................................................. 71
3.5.7
Válec namáhaný vnitøním tlakem .............................................................. 72
4
ZÁKLADNÍ PØEDPOKLADY PRO VSTØIKOVÁNÍ VÝSTØIKÙ Z TERMOPLASTÙ S DEFINOVANÝMI VLASTNOSTMI SEØIZOVÁNÍ A OPTIMALIZACE VSTØIKOVACÍHO PROCESU 73
4.1
Základní pøedpoklady pro vstøikování dílù s definovanou jakostí ....................................................................................... 74
4.2
Nutné podmínky pro seøizování a optimalizaci procesu vstøikování termoplastù .......................................................... 77
4.2.1
Vstøikovací stroj ......................................................................................... 77
4.2.1.1 4.2.1.2
Urèení potøebné uzavírací síly, definice tlakù pøi vstøikování termoplastù ........................ 77 Velikost plastikaèní jednotky ............................................................................................. 81
4.2.1.3
Zpìtný uzávìr na neku ............................................................................ 81
4.2.2
Periferní zaøízení ....................................................................................... 83
4.2.3
Forma a její pøísluenství .......................................................................... 84
4.2.3.1
Základní data vstøikovací formy ........................................................................................ 84
4.2.4
Vstøikovací granulát ................................................................................... 88
4.2.4.1 4.2.4.1.1 4.2.4.1.2
Chování termoplastù pøi zahøívání a toku ......................................................................... 90 Chování pøi zahøívání ........................................................................................................ 90 Hodnocení tavenin pøi toku ............................................................................................... 91
4.3.
Seøizování a optimalizace procesu vstøikování termoplastù .......................................................... 95
4.3.1
Vstøikovací forma pøíprava ..................................................................... 95
4.3.2
Vstøikovací forma nasazení .................................................................... 99
4.3.3
Vstøikovací forma odstavení ................................................................. 101
4.3.4
Formy s horkými rozvody ........................................................................ 101
4.3.4.1
Zásady pouívání horkých rozvodù vstøikovacích forem horké trysky bez jehlového uzávìru .................................................................................................... 101 Zásady pouívání horkých rozvodù vstøikovacích forem horké trysky s jehlovým uzávìrem ....................................................................................................... 102
4.3.4.2
A
Obsah
5
4.3.4.3 4.3.4.4
6
Horké trysky postup pøi zmìnì barvy výstøiku bez pøístupu ke trysce z dìlicí roviny formy ......................................................................................... 103 Horké trysky postup pøi zmìnì barvy výstøiku s pøístupem k trysce z dìlicí roviny formy ......................................................................................................... 104
4.3.5
Nastavení dráhových, rychlostních, tlakových a kontrolních strojních parametrù jejich optimalizace ............................................................... 105
4.3.5.1 4.35.2
Uzavírací jednotka vstøikovacího stroje ........................................................................... 105 Vstøikovací jednotka vstøikovacího stroje ........................................................................ 107
4.3.6
Pøipojení a nastavení periferních zaøízení ............................................... 107
4.3.7
Fáze vstøikovacího procesu a jejich vliv na vlastnosti výstøikù ............................................................................... 107
4.3.7.1 4.3.7.1.1 4.3.7.1.2 4.3.7.1.3 4.3.7.1.4 4.3.7.1.5 4.3.7.1.6
Vliv jednotlivých fází vstøikovacího procesu na jakost výstøikù ....................................... 108 Plastikace dávkování .................................................................................................... 108 Vstøikovací a kompresní fáze plnìní tvarových dutin formy ......................................... 108 Pøepnutí ze vstøikovacího tlaku na dotlak ....................................................................... 109 Dotlaková fáze ................................................................................................................. 109 Fáze chlazení výstøiku ve formì ...................................................................................... 110 Váha vlivu a tolerance technologických parametrù, vymezení zpracovatelského okna formovatelnosti ....................................................................................................... 111
4.3.8
Nastavení a optimalizace technologických parametrù vstøikování, kontrola procesu ...................................................................................... 113
4.3.8.1 4.3.8.2 4.3.8.3 4.3.8.4 4.3.8.4.1 4.3.8.4.2 4.3.8.4.3 4.3.8.4.4 4.3.8.4.5 4.3.8.5 4.3.8.6 4.3.8.7 4.3.8.7.1 4.3.8.7.2 4.3.8.7.3 4.3.8.8 4.3.8.9 4.3.8.10 4.3.8.11 4.3.8.12 4.3.8.13 4.3.8.14
Teplota formy ................................................................................................................... 114 Teplota taveniny nastavení teploty jednotlivých topných pásem ................................. 115 Teplota horkého rozvodu ................................................................................................. 117 Plastikace dávkování .................................................................................................... 117 Velikost dávky .................................................................................................................. 118 Dekomprese pøed a po plastikaci .................................................................................... 119 Zpìtný odpor na neku .................................................................................................... 119 Otáèky neku obvodová rychlost na neku .................................................................. 120 Doba plastikace, doba setrvání taveniny v plastikaèní komoøe a v horkém rozvodu ..... 122 Vstøikovací tlak a rychlost ................................................................................................ 125 Doba plnìní formy doba vstøiku ................................................................................... 126 Bod pøepnutí ze vstøikovacího tlaku na dotlak ................................................................ 127 Bod pøepnutí dráhovì, objemovì ................................................................................. 128 Bod pøepnutí tlakovì v pohonném systému, ve formì, v horkém rozvodu ............... 128 Bod pøepnutí èasovì .................................................................................................... 129 Úroveò dotlaku a doba dotlaku ....................................................................................... 129 Poltáø ............................................................................................................................. 131 Optimalizace nastavení plnicí a dotlakové fáze .............................................................. 132 Doba ochlazování a chlazení, teplota vyhazování výstøiku z formy ................................ 132 Doba manipulace ............................................................................................................ 136 Tlakové køivky .................................................................................................................. 136 Tabulka jakosti, zpùsobilost procesu ............................................................................... 142
4.3.9
Seøizování a optimalizace vstøikovacího procesu .................................... 144
4.3.10
Vstøikování druhotných materiálù ............................................................ 146
4.3.11
Vady výstøikù a jejich odstraòování ......................................................... 149
4.3.11.1 4.3.11.2
Základní rozdìlení vad .................................................................................................... 152 Vady, jejich pøíèiny a odstranìní vad ............................................................................... 153
L. Zeman: Vstøikování plastù
A
4.3.11.2.1 4.3.11.2.2 4.3.11.2.3 4.3.11.2.4 4.3.11.2.5 4.3.11.2.6 4.3.11.2.7 4.3.11.2.8 4.3.11.2.9 4.3.11.2.10 4.3.11.2.11 4.3.11.2.12 4.3.11.2.13 4.3.11.2.14 4.3.11.2.15 4.3.11.2.16 4.3.11.2.17
Pøestøiky, pøetoky, otøepy ................................................................................................. 154 Neúplné výstøiky .............................................................................................................. 154 Propadliny, staeniny, lunkry, zvlnìní povrchu ................................................................ 155 Studené spoje ................................................................................................................. 155 Místní spálení materiálu v dùsledku komprese vzduchu (dieselefekt) ............................ 155 mouhy, líry, zmìna barvy ............................................................................................. 156 Tmavé body na povrchu výstøikù .................................................................................... 156 Stopy vlhkosti .................................................................................................................. 156 Tvorba drobných bublinek (vzduch, plynné produkty) .................................................... 157 Rozdíl lesku na povrchu výstøiku, rozdíly na dezénu ...................................................... 157 Opalescence, støíbøení, mikrotrhlinky, napìové trhlinky (pnutí), køehnutí ...................... 158 Tokové èáry, studené tokové linie ................................................................................... 158 Kresba po volném proudu taveniny meandrový tok ..................................................... 158 Jemnì rýhovaný a pórovitý povrch (vzhled gramofonové desky, pomeranèové kùry) . 159 Stopy po studené taveninì (roub), rozvrstvování (delaminace) ..................................... 159 Stopy po vyhazovaèích ................................................................................................... 159 Deformace výstøikù pøi vyhazování z formy .................................................................... 160
5
ZÁKLADNÍ ÚDAJE PRO VSTØIKOVÁNÍ TERMOPLASTÙ
161
5.1
POLYOLEFINY ....................................................................... 162
5.1.1
Polypropylen PP ................................................................................... 162
5.1.2
Polyetylen PE ....................................................................................... 163
5.2
STYRÉNOVÉ POLYMERY ..................................................... 164
5.3
POLYMETHYLMETAKRYLÁT ............................................... 165
5.4
POLYAMIDY ........................................................................... 166
5.5
POLYKARBONÁT .................................................................. 171
5.6
POLYOXYMETHYLEN POLYACETAL POLYFORMALDEHYD ........................................................... 172
5.7
LINEÁRNÍ POLYESTERY ...................................................... 174
5.8
POLYMERY S TEKUTÝMI KRYSTALY (plnì aromatické polyestery) ............................................... 175
5.9
VYSOCE TEPLOTNÌ A CHEMICKY ODOLNÉ TERMOPLASTY ..................................................................... 177
5.10
TERMOPLASTY PLNÌNÉ DLOUHÝMI VLÁKNY ................. 179
5.11
TERMOPLASTICKÉ ELASTOMERY TPE .......................... 181
5.11.1
TPE O, EPDM/PP ................................................................................ 182
5.11.2
TPE S ................................................................................................... 184
A
Obsah
7
5.11.3
TPE U ................................................................................................... 185
5.11.4
TPE E ................................................................................................... 187
5.11.5
TPE A ................................................................................................... 189
5.11.6
ETYLENVINYLACETÁT EVA ............................................................... 190
6
SUENÍ A KONDICIONACE TERMOPLASTÙ 191
6.1
Definice pojmù ...................................................................... 192
6.2
Suení termoplastù ............................................................... 193
6.2.1
Mìøení obsahu vlhkosti ve vstøikovacích granulátech ............................. 194
6.2.2
Suárny granulátù zpùsoby suení ...................................................... 195
6.2.2.1 6.2.2.2 6.2.2.3 6.2.2.4 6.2.2.5
Suárny se samovolnou cirkulací ohøátého vzduchu ...................................................... 196 Suárny s nuceným obìhem ohøátého vzduchu ............................................................. 196 Suárny s nuceným obìhem ohøátého suchého vzduchu .............................................. 197 Podtlakové suárny ......................................................................................................... 199 Tlakovzduné suárny ..................................................................................................... 199
6.3
Kondicionace výstøikù z termoplastù ................................. 200
6.4
Termoplasty a podmínky jejich suení ............................... 202
7
ODVZDUNÌNÍ VSTØIKOVACÍCH FOREM Z POHLEDU JAKOSTI VÝSTØIKÙ Z TERMOPLASTÙ
7.1
Proè odvzdunìní ................................................................. 206
7.2
Vliv technologických parametrù vstøikování na odvzdunìní ..................................................................... 206
7.3
Dimenzování odvzduòovacích systémù ........................... 210
7.3.1
Pøíklad výpoètu prùøezu odvzduòovacího kanálu .................................. 211
7.3.2
Technické provedení odvzdunìní .......................................................... 211
7.3.3
Technické prostøedky pro minimalizaci vzniku studených spojù .............. 213
LITERATURA
8
205
215
1.
Monografie ............................................................................. 215
2.
Sborníky z konferencí ........................................................... 215
L. Zeman: Vstøikování plastù
A
3.
Internetové odkazy èasopisy ............................................ 216
4.
Databáze ................................................................................ 216
5.
Ostatní .................................................................................... 216
6.
Aditiva .................................................................................... 216
7.
Termoplasty a aditiva ............................................................ 216
8.
Vstøikovací stroje .................................................................. 217
9.
Horké systémy vstøikovacích forem .................................... 218
ZKRATKY A NÁZVY VYBRANÝCH VSTØIKOVACÍCH POLYMERNÍCH MATERIÁLÙ ......................................... 219 Tabulky ................................................................................ 221 Rejstøík ................................................................................ 237 Kontakty na prodejny technické literatury ...................... 247 Pár slov o nakladatelství ................................................... 248
A
Obsah
9
