Czas przebywania tworzywa w cylindrze wtryskarki

Termoplasty to materiały organiczne, których skład chemiczny sprawia, że nie są one w stanie wytrzymać temperatur obróbki termicznej stopu dłużej niż przez pewien czas. Dlatego podczas wtrysku tworzyw sztucznych zwłaszcza wrażliwych termicznie, czas przebywania w cylindrze jest bardzo ważny.

Czas potrzebny na przepływ tworzywa sztucznego od wlotu cylindra wtryskarki do gniazda formy jest określany jako czas przebywania. Odnosi się do ilości tworzywa obecnego w cylindrze wtryskarki, wagi wtrysku i całkowitego czasu cyklu. Czas przebywania bywa również określany jako HUT (Hold Up Time).

Zbyt długi czas przebywania, za wysoka temperatura (i parametry powiązane) powodują degradację tworzywa. Największy wpływ na czas przebywania wywiera wielkość cylindra uplastyczniającego. Dla niestandardowych procesów znajomość tej wartości ma kluczowe znaczenie dla jakości wypraski. Stosowanie rozmiaru wtrysku w  celu dopasowania formy do wtryskarki jest często ważniejsze niż fizyczne ograniczenia siły zamykania, ciężaru i  rozmiaru formy. Ważny jest całkowity czas przebywania, tzn. w cylindrze uplastyczniającym i  ewentualnie w  gorących kanałach (GK). W  niekorzystnych warunkach może on być wielokrotnością czasu przebywania w cylindrze (rys. 1. dostępny w pliku na końcu artykułu ). Należy też uwzględniać czas i temperaturę suszenia tworzywa sztucznego.

Degradacja tworzywa 

Proces wtrysku daje wiele możliwości degradacji tworzywa sztucznego. Obowiązkiem przetwórcy jest zachowanie masy cząsteczkowej (MW) polimeru podczas wtrysku, co jest warunkiem do uzyskania wymaganej jakości wyprasek. Degradacja następuje, gdy wiązania kowalencyjne wzdłuż szkieletu łańcucha molekularnego zostają zerwane. Długości łańcuchów molekularnych ulegają skróceniu zmniejszając MW polimeru. Wraz ze spadkiem MW właściwości użytkowe tworzywa pogarszają się. Degradacja może nastąpić, gdy przekroczone zostaną zalecane temperatury lub czas przebywania w cylindrze oraz pobytu w GK. Degradacja może też nastąpić w wyniku niewłaściwego przygotowania tworzywa sztucznego przed wtryskiem, czyli suszenia.

Suszenie tworzywa sztucznego 

Podczas suszenia podstawowym zadaniem jest usunięcie wilgoci z tworzywa sztucznego oraz zapobiec jego przesuszeniu. Należy więc przestrzegać zaleceń producentów tworzyw dotyczących warunków suszenia, dobierać wielkości leja tak, aby czas przebywania tworzywa pozostawał w zalecanym zakresie czasu suszenia. W  przypadku niektórych tworzyw sztucznych można stosować różne kombinacje czasu i temperatury suszenia, np. wyższe temperatury i krótsze czasy suszenia lub odwrotnie. Wilgoć obecna w tworzywie higroskopijnym jest większym zagrożeniem niż za wysoka temperatura lub czas suszenia.

Drogi dozowania ślimaków 

Przyjmuje się, że tworzywo jest obciążone termicznie na długości tzw. strefy stopionego tworzywa sztucznego, tj. w strefach sprężania i dozowania. Ponieważ najczęściej używane są ślimaki uniwersalne, długość ta wynosi ok. 8D. Za krótka droga dozowania (<1D) i  duża średnica ślimaka powoduje znaczne wydłużenie czasu przebywania. Wtedy istnieje ryzyko: – zmniejszenia wytrzymałości mechanicznej (redukcja MW), – odbarwień, przypaleń, smug, pęcherzy, niszczenia stabilizatorów, – dodatkowych naprężeń tworzywa (za wysokie obroty ślimaka). Mała średnica ślimaka i dłuższa droga dozowania (>3D) to: krótszy czas przebywania, mniejsza efektywna długość ślimaka i gorsze uplastycznienie. Konsekwencjami są wady wyprasek (wypaczenia, linie płynięcia, połysk, szorstkość, smugi barwne). Przy bardzo krótkich czasach przebywania zalecane jest stosowanie ślimaków o większym stosunku L/D.

Określanie czasu przebywania tworzywa sztucznego 

Wytyczne dla optymalnego czasu przebywania są podawane przez producentów tworzyw w danych dotyczących ich przetwórstwa. W  praktyce zwykle nie są dostępne narzędzia do dokładnego obliczania czasu przebywania stopu zależnie od wykorzystywanej maszyny i warunków przetwórstwa, co uniemożliwia przetwórcom dokonywać szybkich ocen procesu. Określenia czasu przebywania można dokonać dość dokładnie w warunkach laboratoryjnych, a w praktyce można to zrobić doświadczalnie lub dokonać szacunkowych obliczeń. W metodzie doświadczalnej podczas bieżącej produkcji dodaje się (w strefie zasypu) kilka granulek barwnego tworzywa tego samego typu. Następnie mierzy się czas od ich dodania do pojawienia się na wypraskach barwnych smug (rys. 2. dostępny w pliku na końcu artykułu). Wyniki prób i obliczeń pokazują, że nie jest możliwe osiągnięcie równomiernego czasu przebywania. Jak pokazują statystyki, powstaje zróżnicowane spektrum czasów przebywania. Zwykle maksimum krzywej rozkładu jest stosowane jako reprezentatywny średni czas przebywania (rys. 3. dostępny w pliku na końcu artykułu). Przy większym wykorzystaniu ślimaka uzyskuje się węższe spektrum czasu przebywania (skok >40% maks. objętości skokowej). Jeśli wykorzystanie jest zbyt wysokie (>70%), ryzyko słabej homogenizacji stopu znacznie wzrasta. Przy wykorzystaniu (<40%) uzyskuje się znacznie większe różnice w czasie przebywania. 

Ponieważ czas przebywania jest związany z ilością tworzywa w cylindrze, gramaturą (objętością) wtrysku i czasem cyklu to może być obliczony z zależności: WZORY >>

Zalecane czasy przebywania tworzywa 

Duża różnorodność tworzyw sprawia, że zalecane czasy przebywania są bardzo zróżnicowane. Optymalne czasy wynoszą 2 do 8-9 minut, ale mogą przekraczać 30 min. Większą uwagę należy zwracać na tworzywa wrażliwe termicznie o krótkich dopuszczalnych czasach przebywania (PET, PBT, PC, PC/ABS, PVC). Minimalny czas przebywania nie powinien być krótszy niż 1 min (rys. 4. dostępny w pliku na końcu artykułu). W tabeli podano wartości czasu przebywania dla średnicy 70 mm. Czasy przebywania dla ślimaków o mniejszych średnicach są krótsze, a o większych dłuższe od podanego. Reasumując, należy pamiętać, że im większa średnica ślimaka, tym dłuższy czas przebywania potrzebny do uzyskania porównywalnej jednorodności masy. Wynika to z większej głębokości zwojów i innego stosunku objętości masy do przewodzącej ciepło powierzchni cylindra.

Poza tym tworzywa mają okna termiczne przetwórstwa ograniczone możliwością uplastycznienia i homogenizacji masy oraz rozkładem termicznym. Te same typy tworzyw są oferowane w różnych odmianach odporności termicznej (podczas wtrysku i użytkowania) (rys. 5 i 6 dostępny w pliku na końcu artykułu).

Zalecenia technologiczne 

Czas przebywania w cylindrze i temperatury mają duży wpływ na jakość wyprasek (wygląd, własności użytkowe), dlatego ważne jest, aby: 

• wysokość temperatury stopu była dobrana odpowiednio do czasu przebywania w cylindrze, 

• unikać zbyt długich czasów przebywania mimo właściwych temperatur cylindra i wysokich temperatur stopu przy długim czasie przebywania (ryzyko degradacji),

• unikać za krótkich czasów przebywania (słaba homogenizacja tworzywa), 

• przy dodatku środka uniepalniającego nastawiać temperatury z dolnego zakresu zalecanego, 

• przy dużym skoku dozowania (krótki czas przebywania) przynajmniej częściowo wyrównać różnice nastawiając odpowiednio wysoki profilu temperatur, 

• przy małym skoku dozowania lub szczególnie długim czasie cyklu nastawiać stopniowo wzrastający profil temperatur (dla krótszego oddziaływania wyższych temperatur).

Podsumowanie 

Znaczenie czasu przebywania tworzywa w  cylindrze bywa często pomijane i niedoceniane. 

Dobór właściwej wielkości jednostki wtrysku ma kluczowe znaczenie dla produkcji, bez degradacji tworzywa. Duża różnorodność tworzyw i  dodatków daje bardzo szerokie spektrum czasów przebywania w  cylindrze, a  jego zmiana jest trudna lub niemal niemożliwa bez zmiany cylindra uplastyczniającego. Ważne jest, aby uwzględniać czas przebywania w GK (może to być wielkość krytyczna) oraz kontrolować warunki suszenia. Za długi czas przebywania przyczynia się do spadku jakości i powstawania wielu wad wyprasek.

RYSUNKI >>

Andrzej Zwierzyński

Literatura: 

1. Johannaber F. Michaeli W., Handbuch Spritzgießen, Carl Hanser Verlag, München, Wien 2002 

2. Schepper B. Ewering J., Tworzywa sztuczne w praktyce, poradniki techniczne DuPont 

3. Derlin, Poradnik przetwórstwa wtryskowego, DuPont 

4. Bestimmung der Verweilzeit beim Spritzgießen technischer Thermoplaste. ATI 634, Bayer AG, Leverkusen, 1988

5. Zawistowski H., Zięba S., Ustawianie procesu wtryskiwania tworzyw termoplastycznych, Plastech 2015 

6. Kulkarni S., Robust Process Development and Scientific Molding, Carl Hanser Verlag, Munich 2017