STRUKTURA WYPRASEK WTRYSKOWYCH UZYSKANA PRZY RÓŻNYCH WARTOŚCIACH TEMPERATURY FORMY

Transkrypt

1 Tomasz JARUGA Politechnika Częstochowska STRUKTURA WYPRASEK WTRYSKOWYCH UZYSKANA PRZY RÓŻNYCH WARTOŚCIACH TEMPERATURY FORMY W artykule przedstawiono porównanie struktury wyprasek z polipropylenu, które uzyskano przy różnych wartościach temperatury formy wtryskowej. Wykazano występowanie różnic w morfologii, w szczególności różnej szerokości strefy materiału zorientowanego na skutek ścinania. Strukturę powiązano z wynikami badań wytrzymałości na rozciąganie. WPROWADZENIE Temperatura formy wtryskowej gwarantuje uzyskanie wyprasek o odpowiedniej strukturze. Dotyczy to zwłaszcza tworzyw częściowo krystalicznych, gdzie uformowanie się struktury krystalicznej zależy od tego, jak długo polimer utrzymywany jest w odpowiednio wysokiej temperaturze. To zależy od wartości temperatury formy. Dlatego celowym jest stosowanie wysokiej temperatury formy. Z drugiej zaś strony ustawianie wysokich wartości temperatury wiąże się z problemem konieczności absorbowania większej ilości energii przez proces wtryskiwania. Temperatura formy wpływa na właściwości materiału, i co za tym idzie, właściwości wyprasek wtryskowych. Dotyczy to na przykład wytrzymałości na rozciąganie, odkształcenia przy zerwaniu, udarności czy twardości [1]. CZĘŚĆ BADAWCZA Celem przeprowadzonych badań było określenie, jak temperatura formy wtryskowej wpływa na strukturę wyprasek, a w dalszej kolejności na wytrzymałość na rozciąganie. Do wytworzenia próbek zastosowano dwugniazdową formę wtryskową. Uzyskiwano w niej wypraski o wymiarach: x22.80x4.15 mm (z tolerancją ±0.1 mm). Tworzywem zastosowanym do badań był polipropylen Moplen HP501H (homopolimer) wyprodukowany przez firmę LyondellBasell. Tworzywo to ma wskaźnik szybkości płynięcia równy 2.1 g/10 min (2.16 kg, 230 C) i przeznaczone jest do wtryskiwania, zwłaszcza nakrętek, pokrywek i elementów meblowych [2]. Podane przez producenta dane odnośnie wielkości wyznaczanych w próbie rozciągania to: 85

2 granica plastyczności (jest to jednocześnie wytrzymałość na rozciąganie: 33 MPa, wydłużenie na granicy plastyczności: 9 %, wydłużenie przy zerwaniu: >50 %. Do wytwarzania wyprasek użyto wtryskarki KrausMaffei KM 65/160/C4. Próbki wytworzono przy następujących warunkach: temperatura wtryskiwanego tworzywa: 240 C temperatura formy - zmienna: 20/30/40/50/60/70/80/90/100 C prędkość wtryskiwania: 64 mm/s (przy średnicy ślimaka Ø30 mm) ciśnienie docisku: 40 MPa czas docisku: 34 s czas chłodzenia: 10 s Czas fazy wtrysku dobierano na podstawie wskazań czujnika ciśnienia umieszczonego w jednym z gniazd formujących. Obserwacje mikroskopowe prowadzono w świetle przechodzącym spolaryzowanym. Do tego celu użyto mikroskopu Nikon Eclipse E200. Preparaty przygotowywano na mikrotomie Thermo Shandon Finesse ME+. Grubość ścinków mikrotomowych wynosiła 10 µm. Te badania zostały wykonane jako fragment pracy [3]. Przeprowadzono próbę jednoosiowego rozciągania za pomocą maszyny wytrzymałościowej Hegewald & Peschke Inspekt Desk 20. Próbki rozciągano z prędkością 50 mm/min a początkowy rozstaw szczęk maszyny wynosił 100 mm i był to wymiar odniesienia do wyznaczania odkształcenia względnego. Należy zaznaczyć, że próbki poddane badaniom pozostały w postaci prostopadłościennych beleczek, czyli były nieznormalizowane. Uzyskane wyniki wytrzymałości na rozciąganie (granicy plastyczności) nie odbiegają od typowych wyników uzyskiwanych dla polipropylenu, są jednak nieco niższe od wartości deklarowanych przez producenta tworzywa. ANALIZA WYNIKÓW Wynikiem badań mikroskopowych są fotografie obrazujące morfologię widoczną w przekroju wzdłużnym wyprasek. Fotografie z badań na mikroskopie optycznym w świetle przechodzącym spolaryzowanym przedstawiono na rysunku 1. Porównano fragmenty obserwowanych preparatów. Przekrój obserwowany jest zgodny z kierunkiem przepływu tworzywa wypełniającego gniazdo formy. Rys. 1. Porównanie morfologii wyprasek uzyskanych przy różnej temperaturze formy - przekrój wzdłużny przez środek szerokości wypraski 86

3 W przekroju obserwowany jest klasyczny układ warstw: naskórek przy ściance wypraski (ściance formy wtryskowej), dalej warstwa materiału o wysokim stopniu orientacji na skutek ścinania tworzywa podczas przepływu (jasna warstwa o dużej dwójłomności optycznej) oraz widoczna w środku przekroju warstwa materiału niezorientowanego w rdzeniu. Utrzymanie orientacji materiału na skutek ścinania staje się możliwe dzięki działaniu ciśnienia docisku w cyklu wtryskiwania [4]. Wyniki przeprowadzonych badań wykazały, że wraz ze wzrostem temperatury formy wyraźnie szerszy staje się warstwa niezorientowanego materiału rdzenia, co dzieje się kosztem stref o wysokiej orientacji, które stają się coraz węższe, aż prawie zanikają dla temperatury równej 100 C. Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że wysoka temperatura formy powoduje relaksację materiału rozciągnięte na skutek ścinania makrocząsteczki pod działaniem wysokiej temperatury układają się w sposób nieuporządkowany. Na rysunku 2 przedstawiono wykres pokazujący zależność szerokości strefy mocno zorientowanego materiału rdzenia od temperatury formy. Rys. 2. Zmiana szerokości strefy zorientowanego i niezorientowanego materiału rdzenia wypraski w zależności od temperatury formy Skutkiem działania wysokiej temperatury formy wtryskowej jest duży rozmiar sferolitów. Sferolity zaobserwowane w środku grubości wypraski, na środku długości próbek przedstawiono na rysunku 3. Porównano wielkości sferolitów z wyprasek uzyskanych przy krańcowo różnych wartościach temperatury formy. Wyraźnie większe są sferolity uzyskane przy temperaturze formy 100 C. Ich średnica sięga µm. Wyniki próby rozciągania przedstawiono na wykresie na rysunku 4 podano wartości wytrzymałości na rozciąganie, która dla polipropylenu jest równoznaczna z granicą plastyczności. Różnice wartości są nieznaczne (maksymalna różnica wartości średnich sięga 2 MPa), choć zauważalny jest wzrost wytrzymałości na rozciąganie wraz ze wzrostem temperatury formy. Wartość wytrzymałości na rozciąganie otrzymywano przy bardzo zbliżonym wydłużeniu względnym, którego średnia wartość wynosiła 14.5 %. Można stwierdzić, że temperatura formy nie ma bardzo znaczącego wpływu na wytrzymałość wyprasek. Nieco inaczej sprawa przedstawia się w przypadku wydłużenia przy zerwaniu, które maleje wraz ze wzrostem temperatury formy od 250 % przy temperaturze 50 C do 110 % przy 90 C (wartości średnie), wykazując jednak znaczną niejednorodność statystyczną. Badanie prowadzono do wartości wydłużenia względnego równego 500 %. Próbki wtryskiwane przy temperaturze formy 20 i 30 C nie uległy zerwaniu. 87

4 T f = 20 C T f = 100 C Rys. 3. Wielkość sferolitów przy krańcowo różnych wartościach temperatury formy Rys. 4. Wytrzymałość na rozciąganie W wyniku prowadzenia próby następowała zmiana koloru tworzywa w części przekroju. Zjawisko to związane jest z nieodwracalnym odkształcaniem sferolitów i powstawaniem mikropęknięć w materiale na skutek dużych naprężeń. Na skutek tego dochodzi do dyfrakcji światła na powierzchniach pęknięć i w efekcie do zmiany przezroczystości materiału. Proces ten jest nazywany stress whitening [5]. Wpływ temperatury formy rozkład tego zjawiska w przekroju wypraski pokazano na rysunku 5, gdzie przedstawiono fotografie próbek po zakończonej próbie rozciągania. Jest to widok z góry próbek, a zatem różny od tego, który przedstawiono na rysunku 1, gdzie pokazany jest przekrój przez grubość wyprasek. Dla najniższej wartości temperatury formy (20 C) zmiana koloru zaszła jedynie na około 70 % szerokości przekroju. Strefa o zmienionej przezroczystości poszerza się wraz ze wzrostem temperatury formy. Wyniki te korespondują z wynikami morfologii. Można postawić wniosek, że w warstwie materiału o wysokiej orientacji nie zachodzi tak silne zjawisko odkształcania sferolitów i powstawania mikropęknięć. Dla próbek 88

5 uzyskanych przy temperaturze 100 C warstwa o zmienionej przezroczystości obejmuje niemal cały przekrój. Rys. 5. Różnica szerokości strefy odkształcenia plastycznego dla kształtek uzyskanych przy różnej wartości temperatury formy WNIOSKI Uzyskane wyniki badań struktury wyprasek wskazują na wyraźny wpływ temperatury formy wtryskowej na strukturę i morfologię wyprasek. Bardzo korzystne warunki do procesu formowania struktury krystalicznej występujące przy wysokich wartościach temperatury formy powodują formowanie dużych sferolitów oraz zanik stref mocno zorientowanego materiału w rdzeniu wyprasek na skutek relaksacji jeszcze podczas przebywania tworzywa w formie - w fazie docisku i chodzenia. Uformowana pod wpływem różnej temperatury formy struktura przekłada się na właściwości mechaniczne, co wykazano na przykładzie badań wytrzymałości na rozciąganie. Na podstawie badań można wyprowadzić wnioski praktyczne jaką temperaturę ustawiać, aby uzyskać właściwości wypraski na odpowiednim poziomie. Wydaje się, że dla badanego tworzywa nie jest celowe ustawianie zbyt wysokiej temperatury formy, gdyż skutkuje to nieznacznym, bo zaledwie kilkuprocentowym wzrostem wytrzymałości. Niewykluczone, że temperatura formy ma bardziej znaczący wpływ na inne właściwości, których nie badano w niniejszej pracy. 89

6 LITERATURA [1] Bociąga E.: Procesy determinujące przepływ tworzywa w formie wtryskowej i jego efektywność, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 2001 [2] [3] Ostrowska A.: Warunki wtryskiwania a uzyskiwanie powtarzalnych właściwości wyprasek, Praca magisterska, Politechnika Częstochowska 2008 [4] Pontes A.J., Oliveira M.J., Pouzada A.Z.: Studies on the Influence of the Holding Pressure on the Orientation and Shrinkage of Injection Molded Parts, SPE ANTEC Tech. Papers 2002, paper 98 [5] Ehrenstein G.W.: Polymeric materials, Hanser Publishers, Munich 2001 STRUCTURE OF INJECTION MOULDED PARTS MANUFACTURED WITH DIFFERENT MOULD TEMPERATURE A comparison of structure of injection moulded parts manufactured with different mould temperature values was presented in this article. Differences in morphology were pointed out, especially difference in thickness of shear oriented material layer. The differences in structure were compared to tensile test results. 90