Struktura wyprasek wtryskowych uzyskana przy różnych wartościach

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: 148.00x22.80x4.15 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
• 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
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 70 ÷ 80 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
Tf = 20 °C
Tf = 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
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
LITERATURA
[1] Bociąga E.: Procesy determinujące przepływ tworzywa w formie wtryskowej i jego
efektywność, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 2001
[2] http://www.lyondellbasell.com/Index.htm
[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