История и технология литья пластмасс

Современные пластмассы, как мы их знаем сегодня, берут свое начало с конца 19 века, когда многие европейские и американские химики экспериментировали с различными типами резины и остатков химических смесей.

В 1865 году Джон У. Хаятт запатентовал процесс объединения нитрат целлюлозы и камфоры, полученный состав он назвал "целлулоид", который был использован в качестве материала для замены слоновой кости в производстве бильярдных шаров. Целлулоид широко использовался для производства фотопленки и кинопленки.

Первый формовочный материал был изобретен в 1907 году Лео Хендрик Baekeland, которым был фенольный материал, он назвал его "Бакелит". Бакелит был универсальный и прочный материал, который использоваться для изготовления бытовой, промышленной и военной продукции.

На протяжении 20-го века были разработаны многие новые пластиковые материалы  в том числе: вискоза в 1891 году; целлофан в 1913 году; нейлон в 1920; поливинилхлорид (ПВХ) в 1933; тефлон в 1938 году; полиэтилен в 1933 году.

С 1950-х годов, производство пластмасс переросло в крупную отрасль переживающую бурный рост, который не спадает до сих пор. Сегодня с постоянным развитием промышленности, появились всевозможные модификации и  новые пластические материалы. 

Существует два основных вида пластмасс: Термопластичные и Термореактивные материалы.

Оригинальное литьё пластмасс остаётся в целом неизменным вплоть с 1946 года, когда вторая мировая война создала огромный спрос на недорогие, изделия массового производства. Джеймс Хендри построил первую винтовую (шнековую) машину литья под давлением и совершил революцию в индустрии пластмасс. Сегодня, примерно 95% всех формовочных машин использовать винты (шнеки) для эффективного обогрева и смешивания, и впрыскивания пластмассы в форму.

ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЬЯ ПЛАСТМАСС

Большая часть пластических масс состоит из двух основных компонентов:

высокомолекулярного органического вещества — смолы, явля­ющейся связующим материалом пластмассы и определяющей ос­новные свойства пластмассы;

различного рода наполнителей, изменяющих в нужном напра­влений свойства пластмасс.

Кроме наполнителей в состав пластмасс часто вводят пласти­фикаторы, стабилизаторы, смазывающие вещества, красители и др. Введение, например, асбеста, талька, стекла повышает тепло­стойкость. Графита, фторопласта, дисульфидмолибдена уменьшает коэффициент трения и увеличивает износостойкость. Асбеста, барита улучшает фрикционные свойства. Слюды, кварцевой муки, стекла, шпата повышает электроизоляционные свойства. Цветных металлов улучшает теплопроводность и т. д.

Однако следует заметить, что введение наполнителей, как правило, приводит к увеличению давления переработки и пло­щади сечения литниковых каналов при литье, а также способст­вует интенсификации изнашивания формы и литьевой маши­ны. При конструировании формы эти факторы необходимо учи­тывать.

По химической природе смолы пластмассы подразделяют на два вида: термореактивные и термопластичные.

Термореактивными называют пластмассы, которые при пере­работке претерпевают необратимые физико-химические превра­щения, превращаются в твердые неплавкие материалы и повтор­ной переработке не поддаются. Термопластичные пластмассы при переработке претерпевают только физические превращения, за­твердевают при охлаждении и допускают повторную перера­ботку.

Литье под давлением – процесс, во время которого материал переводится в вязко-текучее состояние и затем впрыскивается под давлением в форму, где происходит оформление изделия.

Методом литья под давлением производят штучные изделия массой от долей грамма до десятков килограммов. Этот способ является наиболее распространенным в переработке большинства промышленных термопластов. Кроме того, литьем под давлением производят изделия армированные, гибридные, полые, многоцветные, из вспенивающихся пластиков и др.

Основным оборудованием процесса является термопласт-автомат, оснащенный пресс-формами.

Отличительной особенностью метода является его цикличность, что ограничивает его производительность.

К основным достоинствам литья под давлением относятся:

• универсальность по видам перерабатываемых пластиков,
• высокая производительность,
• высокое качество получаемых изделий,
• возможность изготовления деталей весьма сложной конфигурации или тонкостенных изделий,
• отсутствие дополнительной обработки конечного продукта (за исключением операции удаления литников),
• полная автоматизация процесса.

Недостатки метода:

• литьевые машины являются сложными и недешевыми устройствами, насыщенными современными техническими решениями;
• применение термопласт-автоматов для реализации конкретного технологического процесса требует квалифицированного технико-экономического обоснования.

Принципиально, суть технологии литья под давлением состоит в следующем (рис. 1). Расплав полимера подготавливается и накапливается в материальном цилиндре литьевой машины (в данном случае - червячного типа) к дальнейшей подаче в сомкнутую форму (позиция "а"). 
Затем материальный цилиндр смыкается с узлом формы, а пластикатор (в нашем случае - невращающийся червяк) в процессе осевого движения перемещает расплав в форму (позиция "б"). В результате чего форма заполняется расплавом полимерного материала, а пластикатор смещается в крайнее левое (на рисунке) положение (позиция "в"). 
Далее расплав в форме застывает (или отверждается - в случае реактопластов) с образованием твердого изделия (позиция "г"). Материальный цилиндр продолжает оставаться в сомкнутом с системой формы положении. В этой ситуации червяк начинает вращаться с заданной скоростью, подготавливает и транспортирует расплав в переднюю зону материального цилиндра и при этом отодвигается назад. В конце накопления требуемого объема расплава вращение червяка прекращается. Он занимает исходное положение. 
После завершения процесса затвердевания (отверждения) пластмассы форма размыкается, и изделие удаляется из нее (позиция "д"). Для облегчения съема изделия материальный цилиндр может к этому моменту отодвинуться от узла формы. Далее цикл литья под давлением повторяется.

Выбор оптимальной температуры определяется способностью полимера к кристаллизации, скоростью кристаллизации, его теплофизическими свойствами, а также конструктивными особенностями формы, давлением литья и температурой поступающего в форму расплава.

Время цикла формования определяется временем пластикации материала, временем впрыска материала в форму и выдержки под давлением, временем охлаждения изделия в форме.

Время пластикации зависит от теплопроводности полимера и характеристик нагревательного цилиндра. На общее время цикла почти не влияет.

Стадия выдержки под давлением заканчивается в момент застывания расплава в впускных каналах. Затрачиваемое время зависит от температуры расплава и формы, а также от формы и размеров литниковой системы.

Время охлаждения определяется температурой расплава, формы и объемом отливки. Вносит наибольший вклад в общее время цикла.

Усилие смыкания формы и удельное давление литья характеризуют конструктивные особенности узла смыкания  и определяют возможность изготовления изделия на данном термопластавтомате и максимальную площадь отливаемого изделия.

Узел смыкания и впрыска

Основную часть отходов при литье под давлением составляет материал, застывший в литниковых системах. Для уменьшения литниковых отходов в настоящий момент производители используют «горячеканальные» формы, которые дают также ряд других преимуществ. 
Все отходы литьевого производства могут быть использованы для вторичной переработки.