8 (800) 555-34-52
Не смогли дозвониться?
Я хочу
Имя
Телефон
  • Москва
  • Ногинск

Смазки для литья под давлением

Полимерные материалы (ПМ) уже давно перестали быть «чистыми» химическими соединениями и попадают в производство в виде сложных композиций с целым набором модифицирующих добавок. Разнообразные модификаторы позволяют:

  • интенсифицировать процесс переработки ПМ;
  • уменьшить расход сырья;
  • снизить себестоимость готовой продукции;
  • расширить функциональное назначение материала.

В данной статье мы обсудим особенности эффективного применения отдельного класса добавок к ПМ – смазок, или лубрикантов. Как с их помощью повысить эффективность производства, каков механизм их действия и принцип подбора? Подробные ответы на эти вопросы были сформулированы технологами на основе многолетнего опыта и сложных расчетов. Самую ценную информацию мы собрали здесь.

Модифицирующие добавки для литья под давлением, их виды и функции

Все модификаторы для полимеров можно разделить на пять основных групп по их функциональному предназначению:

  1. Технологического назначения. Облегчают переработку ПМ. К ним относятся смазки, структурообразователи, термостабилизаторы, вспениватели, загустители, нейтрализаторы кислот и дезактиваторы металлов, а также сшивающие, совмещающие добавки и пр. Как правило, такие модификаторы очень эффективны – они срабатывают при крайне низких концентрациях (чаще всего 0,1–1 %, реже – до 3 % от всей массы ПМ).
  2. Эксплуатационного назначения. Улучшают характеристики готовой продукции, расширяют область применения материала.
  3. Комбинированные. Объединяют в себе свойства добавок технологического и эксплуатационного назначения.
  4. Модификаторы, облегчающие переработку отходов ПМ.
  5. Добавки, которые облегчают очистку оборудования после переработки полимеров.

Как правило, промышленные модификаторы ПМ вводятся в их массу в виде концентратов или суперконцентратов. Их можно добавлять на разных стадиях производства – во время синтеза, компаундирования или непосредственной переработки полимера. Конечно, удобнее брать в производство уже готовые композиции ПМ со всеми необходимыми добавками. Но практика показывает, что переработка очень редко обходится без добавления дополнительных модификаторов на месте, перед запуском литьевой машины или прямо в ее цилиндре, во время литья. Почему так происходит?

Ассортимент полимерных материалов очень большой, и все их марки можно условно поделить на две группы:

  1. Технологического назначения. Это базовые марки, при изготовлении и компаундировании которых основной упор делается на легкость переработки. Их модифицируют добавками, улучшающими перерабатываемость, – смазками, термостабилизаторами, структурообразователями и пр. Такие ПМ с улучшенными технологическими свойствами производятся и перерабатываются в огромных количествах.
  2. Эксплуатационного назначения. Это специализированные марки для производства продукции с особыми свойствами – повышенной ударной прочностью, сниженной горючестью и т.д. Они также часто включают различные наполнители, например, стекловолокно.

Казалось бы, базовые марки ПМ должны быть универсальными и заведомо легко перерабатываться. Ведь их производители специально работают над улучшением технологических свойств. Но готовые композиции не могут решить всех задач по производству полимерной продукции.

Поэтому на реальном перерабатывающем предприятии почти всегда возникает необходимость дополнительно их улучшить «в индивидуальном порядке». Это позволяет избавиться от некоторых проблем, возникающих при переработке, и повысить ее производительность. К примеру, технологические добавки устраняют недостатки:

  • работы литьевой машины (нестабильность давления, скорости и т.д.);
  • сырья (как то сильные колебания показателей текучести расплава (ПТР));
  • конструкции литьевых форм и пр.

Основные функции добавок технологического назначения:

  1. Облегчение и оптимизация процесса литья с учетом конкретного ассортимента готовой продукции.
  2. Расширение технологических окон переработки. К примеру, благодаря модификаторам можно снизить температуру расплава до минимальной рекомендованной, что повышает производительность литья и снижает деструкцию ПМ.
  3. Устранение недостатков и нежелательных эффектов при переработке (чрезмерной термодеструкции отходов, повышенного сцепления готовых изделий с поверхностью форм и т.д.).
  4. Предотвращение брака (коробления, волнистости, растрескивания, недолива) и повышение качества деталей.
  5. Создание новых положительных эффектов во время литья (повышение стабильности свойств продукции, увеличение температуры плавления, уменьшение цикла литья и пр.).
  6. Расширение ассортимента готовых изделий. Так, с использованием добавок можно получить возможности изготовления тонкостенных, толстостенных, прозрачных, сложнорельефных деталей и др.
  7. Экономия сырья и энергоносителей (за счет снижения брака, сокращения цикла литья, возможности изготовления изделий с более тонкими стенками и пр.).
  8. Увеличение срока эксплуатации форм, оборудования и его отдельных узлов.

Кроме того, на перерабатывающих предприятиях в ПМ вводят добавки эксплуатационного назначения, которые значительно расширяют ассортимент выпускаемой продукции. На этапе литья можно добавлять:

  • светостабилизаторы;
  • антистатики;
  • термостабилизаторы;
  • нуклеаторы;
  • вспениватели;
  • бактерициды и фунгициды;
  • ароматизаторы;
  • модификаторы, повышающие и снижающие глянец изделий;
  • добавки, снижающие проницаемость материала по отношению к влаге, кислороду, углекислому газу;
  • отбеливатели, светорассеиватели, красители и многие другие.

Виды и механизм действия смазок

Среди всех технологических модификаторов, добавляемых на стадии переработки, лубриканты (lubricants, release agents) – одни из самых востребованных. Чтобы понять механизм их действия и правильно подходить к выбору конкретных марок смазок, нужно сначала разобраться с особенностями течения расплава полимера в разных узлах литьевой машины и полости литьевой формы.

Итак, для качественного заполнения формы расплавленным ПМ, необходимо создать по ее длине достаточный перепад давления ΔРф. Эта величина зависит от вязкости расплава η (которая является характеристикой самого материала), температурного поля в расплаве, объемной скорости течения Q и геометрических характеристик самой формы. Также важно учитывать следующее:

  • Линейная скорость течения расплава V в каналах литниковой системы неодинакова по сечению потока. Она изменяется от нуля у стенок канала (из-за прилипания ПМ к их поверхности) до максимума в его центре. Поэтому по сечению потока возникают градиенты скорости γ и сдвиговые напряжения τ.
  • Скорость движения расплава в полости формы также изменяется. У стенок ПМ практически застывает из-за охлаждения, и V приближается к нулю. В середине потока скорость максимальна. Если брать величину V вдоль потока, то она несколько снижается по мере его течения из-за понижения среднеобъемной температуры.
  • Расплавы ПМ, в отличие от простых жидкостей, являются вязкоупругими. Они накапливают эластические деформации γэл по мере заполнения литниковых каналов и полости формы. Кроме того, в расплаве под действием сдвиговых напряжений τ возникают нормальные напряжения σ.
  • Деформации γэл, возникающие в литьевой форме, обратимы. Как только полость заполняется, величина деформации снижается, то есть, начинается ее релаксация. Но если отлитые детали быстро охлаждать, то релаксация прерывается, и часть нормального напряжения σ остается в готовом изделии в виде остаточного напряжения σост. Его наличие может приводить к последующим деформациям, растрескиваниям, короблениям деталей, уменьшениям их размеров.
  • Скорости сдвига γ при литье под давлением достигают очень высоких значений – до 5⋅(102–105) С–1, а в точечных впусках – даже до 106 С –1. Но при величине γ более (3–10)⋅104 С–1 и τ более 0,1–0,5 МПа в потоке расплава наступает неустойчивый режим течения, что приводит к возникновению турбулентности в каналах и впусках.

Смазки действуют в расплаве ПМ по-разному, и для удобства описания механизма действия их разделяют на три группы:

  1. Внутренние. Они взаиморастворимы с полимером, термодинамически совместимы с ним. При смешивании ПМ с таким модификатором образуется однофазная система.
  2. Внешние. Практически не растворяются в основном полимере, термодинамически несовместимы с ним. При добавлении внешней смазки в ПМ получается двухфазная (многофазная) система.
  3. Комбинированные (внешне-внутренние). Сочетают в себе свойства двух основных типов – внешних и внутренних смазок.

Деление это условное, поскольку в реальности не существует абсолютно взаиморастворимых или взаимонерастворимых модификаторов и ПМ. Большинство смазок классифицируют как комбинированные, но каждая из них проявляет преимущественно свойства внешних (несовместимых) или внутренних (совместимых) лубрикантов. На практике обычно внешними смазками называют добавки, которые облегчают выемку деталей из формы, а внутренними – те, которые улучшают текучесть расплава. Также свойства совместимых и несовместимых лубрикантов могут меняться в зависимости от обстоятельств. Так, если концентрация внутренней смазки в расплаве превышает ее растворимость в основном полимере, то она начинает «работать» как внешняя.

Рассмотрим механизм действия разных типов лубрикантов. Внутренние смазки действуют таким образом:

  • Хорошо смешиваясь с ПМ, лубриканты снижают межмолекулярное притяжение в расплаве.
  • Вследствие этого снижается вязкость и повышается ПТР материала. Такое изменение облегчает течение расплавленного полимера во впусках, каналах и форме.
  • Из-за снижения вязкости в потоке расплава значительно (до 50 %) уменьшаются напряжения сдвига τ при одинаковой объемной скорости Q. Это снижает величину перепада давления в форме ΔРф и каналах литниковой системы ΔРл, которая нужна для эффективного заполнения формы.
  • Кроме того, сокращение τ обеспечивает уменьшение эластических деформаций γэл и остаточных напряжений σост в готовых изделиях. Также оно снижает степень ориентации макромолекул вдоль потока.

При этом внутренние лубриканты имеют и недостатки:

  • снижают упругость и прочность готовых изделий;
  • уменьшают теплостойкость ПМ.

Механизм действия внешних смазок выглядит так:

  • Лубрикант не растворяется в основном полимере при температуре переработки. При этом он имеет гораздо более низкую вязкость, чем расплав ПМ (ηсм > ηпм). Из-за такой разницы при течении расплава в форме возникает градиент напряжений сдвига τ. Под его действием смазка выходит на поверхность потока и образует разделительную прослойку между ним и материалом формы.
  • В результате значительно снижается сцепление между расплавом полимера и стенкой формы, и готовые детали легче вынимаются.
  • Кроме того, образование разделительного слоя смазки предотвращает локальные застои расплава ПМ у стенок цилиндра, литниковых каналов, узлов впрыска и т.д. Полимер меньше налипает и нагорает на рабочих поверхностях оборудования.
  • Благодаря слою внешней смазки между потоком ПМ и поверхностями оборудования и форм коэффициент трения между ними резко снижается. Расплав фактически начинает скользить по каналам, а не протекать по ним (т.н. «пробковый режим течения»).
  • Изменение способа продвижения расплава по каналу уменьшает сдвиговые напряжения τ и более равномерно распределяет скорость потока V в его сечении. Также режим скольжения требует меньшего перепада давления ΔР, чем режим течения. Расчеты показывают, что с использованием внешней смазки (при равных технологических параметрах оборудования и ПМ) величина необходимого ΔР уменьшается на 10–30 %. Это позволяет либо снизить затраты энергии на создание перепада давления, либо при том же ΔР изготавливать более протяженные и сложные детали. Режим скольжения проявляется тем сильнее, чем выше напряжения сдвига τ (то есть, чем меньше диаметр канала, выше скорость впрыска и ниже ПТР).

Внешние смазки не влияют на прочность, упругость и теплостойкость ПМ, но способны ухудшать некоторые технологические параметры расплава:

  • Затруднять транспортировку расплавленного полимера по материальному цилиндру литьевой машины (из-за снижения сцепления между материалом оборудования и полимером расплав просто не проталкивается в каналы). При избытке внешних лубрикантов процесс пластикации очень замедляется. Частично решить проблему можно увеличением частоты вращения шнека и снижением давления пластикации.
  • При введении чрезмерного количества внешней смазки в прозрачные ПМ (ПВХ, поликарбонат, полистирол, ПММА) готовые детали часто получают помутнения.
  • Также избыток несовместимого лубриканта может выделяться из массы готовых изделий еще некоторое время после их изготовления. На поверхности деталей образуется скользкий налет, который портит товарный вид продукции и мешает обрабатывать ее далее (склеивать, наносить покрытия, печать и т.д.).

Если возникают любые из перечисленных проблем, их можно решить двумя способами:

  1. Уменьшить концентрацию внешней смазки в рецептуре композиции.
  2. Заменить используемый лубрикант на другой, с более сильным внутренним и более слабым внешним действием.

Отдельно следует сказать о процессинговых добавках, которые также часто используют в качестве смазок при экструзии ПМ. Это фторэластомеры или фторполимеры. Они несовместимы или плохо совместимы с полимерами, но полярны и хорошо притягиваются к металлу.

Благодаря такому свойству процессинговые добавки осаждаются на рабочих поверхностях экструдера и обеспечивают «пробковое» скольжение ПМ. Это снижает вероятность появления дефектов поверхности готовых изделий (например, «акульей кожи» на пленках) и одновременно повышает скорость экструзии. Кроме того, введение фторэластомеров и фторполимеров предотвращает образование нагара на экструдере и исключает его простои из-за чисток поверхностей.

10 причин использовать смазки: повышение эффективности литья и качества изделий под их воздействием

Как именно введение в состав ПМ лубрикантов улучшает их технологические и эксплуатационные свойства? Основные положительные эффекты применения смазок следующие:

  1. Введение внутреннего или комбинированного лубриканта облегчает заполнение формы, снижает необходимый перепад давления литья ΔР.
  2. Применение внешних и комбинированных смазок облегчает извлечение изделий из формы без необходимости дополнительно смазывать ее силиконовыми смесями.
  3. Добавление в ПМ лубриканта любого типа повышает качество формируемых изделий и снижает количество дефектов литья.
  4. Включение в состав материала смазки снижает деструкцию полимеров во время термической переработки.
  5. Внутренние и комбинированные лубриканты сокращают удельную мощность переработки полимера.
  6. Любые смазки в составе ПМ снижают расход сырья на производство единицы продукции.
  7. Применение всех лубрикантов повышает производительность литья.
  8. Введение смазок в ПМ снижает износ оборудования и форм, продлевая срок их эксплуатации. В частности, лубриканты положительно влияют на состояние материальных цилиндров и шнеков литьевых машин. Кроме того, наличие разделительного смазочного слоя защищает материал формы от воздействия химически агрессивного расплава ПМ. А возможность отливать изделия при сниженных давлениях исключает механические повреждения каналов.
  9. Внешние и комбинированные смазки упрощают переход с переработки одной композиции ПМ на другую. Это касается как типа полимера, так и его цвета. Благодаря лубрикантам оборудование и формы легче и быстрее чистятся, а значит, сокращаются простои производства. Даже если при изготовлении всей партии изделий смазку не использовали, ее рекомендуют ввести в расплав за полчаса до окончания переработки, чтобы облегчить очистку оборудования и оснастки.
  10. Внутренние и комбинированные лубриканты повышают растворимость пигментов в расплаве ПМ и обеспечивают более равномерное окрашивание изделий. Смазки имеют поверхностно-активные свойства и повышают растворимость пигментов, поэтому их часто используют как диспергаторы при изготовлении суперконцентратов красителей. Также лубриканты повышают дисперсию наполнителей в композитных ПМ, чем улучшают прочностные свойства готовых изделий.

Рассмотрим некоторые из этих моментов подробнее.

Наличие лубриканта и эффективность заполнения формы

Внутренние и комбинированные смазки улучшают формируемость материала. Формы заполняются легче, быстрее и точнее, а это дает следующие преимущества:

  1. Расширение ассортимента литьевых изделий. Хорошо подобранная смазка повышает текучесть расплава, что позволяет отливать более протяженные детали без увеличения числа впусков. Из улучшенного материала также можно изготавливать тонкостенные предметы (с толщиной стенки менее 0,5–0,8 мм) и изделия сложной формы с мелкой детализацией.
  2. Возможность использования марок ПМ с пониженными ПТР. Очень часто к готовым изделиям предъявляются повышенные требования относительно ударной прочности, морозостойкости и химической устойчивости. Для получения такой продукции идеально подходят высокомолекулярные полимеры с повышенной вязкостью. Но отлить из них сложные детали почти невозможно. Введение смазки решает эту проблему – облегчает переработку, не изменяя прочностных свойств готовых изделий.
  3. Оптимизация технологических параметров литья и повышение его эффективности.

Последнее проявляется в нескольких положительных эффектах:

  • Можно снизить давление литья на 10–30 %, не уменьшая скорость впрыска и время заполнения формы. Это позволяет избежать переуплотнения материала и сэкономить сырье, а также обеспечивает высокую стабильность готовых изделий (в них практически отсутствуют деформации напряжения). Кроме того, литье под более низким давлением меньше повреждает формы, продлевая срок их эксплуатации.
  • Можно уменьшить температуру литья на 5–25 °С, не изменяя давление. Это сокращает литьевой цикл и повышает производительность переработки на 5–15 %. Кроме того, снижение нагрева уменьшает термодеструкцию ПМ, что улучшает его эксплуатационные характеристики и упрощает переработку отходов. Важно: снижать температуру литья допустимо только в пределах диапазона, рекомендуемого для конкретного ПМ.
  • Можно избавиться от нежелательного убывания скорости течения Q при заполнении формы. Такой эффект возникает, когда необходимое для продвижения расплава давление выше, чем максимальные возможности оборудования. Применение смазки позволяет достичь стабильной скорости потока на всем пути его течения. Это обеспечивает готовым изделиям стабильность формы и размеров, хороший внешний вид, малые отклонения от среднего размера изделий одной партии.
Легкое извлечение деталей из формы как следствие введения смазок в ПМ

Лубриканты с внешним или преимущественно внешним действием более эффективны в этом плане, чем периодическое смазывание формовочной поверхности силиконовыми смесями. Смазки, наносимые на формы отдельно, имеют минимум два серьезных недостатка:

  1. Литьевая машина не может работать в полностью автоматическом режиме. Периодически нужно отсоединять формы и смазывать их специальным лубрикантом.
  2. Силиконовые смазки остаются на поверхности готовых изделий и часто оставляют на ней разводы. Это может сделать продукцию полностью непригодной для использования, особенно если она произведена из прозрачного материала или должна быть в дальнейшем покрыта печатным рисунком.

Внешние и комбинированные лубриканты, вводимые в состав ПМ, при правильной дозировке лишены таких недостатков. Они улучшают отделение изделия от поверхности формы и снижают усилие, необходимое для его выталкивания. Максимальная эффективность действия внешних смазок достигается через 5–6 циклов от начала литья. К этому времени на поверхности формы образуется необходимый слой лубриканта.

При литье каждой детали часть смазки из ее состава поступает в эту прослойку, но при выемке примерно столько же смазки остается на изделии и таким образом удаляется из формы. Поэтому толщина смазочного слоя остается одинаковой на протяжении всего времени переработки ПМ. Поскольку прослойка лубриканта постоянно очень тонкая, она не влияет на размеры отливаемых деталей.

Если после нескольких циклов литья усилие выталкивания изделия из формы продолжает снижаться, это означает, что слой смазки и дальше увеличивается. Причина – избыток смазки в композиции. Он может привести к появлению заметного налета на поверхности деталей, поэтому рецептуру следует откорректировать.

Включение внешних смазок особенно важно при переработке композиций на основе полимеров, которые сами по себе трудно отделяются от форм. Это:

  • ПМ с небольшой технологической усадкой (композиции на основе аморфных полимеров – РС, HIPS, PS, РММА, ABS, PSU, сплавов РС/ABS, стеклонаполненные композиции).
  • Материалы на основе полярных соединений (PC, PA, POM, РММА, PBT, PET, PSU, PVC), расплавы которых имеют высокую адгезию к материалу формы.
  • Термоэластопласты (TPE), особенно мягкие. Они отличаются высоким коэффициентом трения и сильной эластичностью, что затрудняет правильное заполнение формовочных каналов.
  • Хрупкие ПМ (PS, РММА), повреждающиеся даже от небольших деформаций, которые возникают при выемке деталей из форм.

Также применение внешних смазок целесообразно при производстве изделий сложной конфигурации. Она затрудняет выемку вне зависимости от типа материала. Сюда можно отнести такие типы деталей:

  • Тонкостенные изделия. При их литье используют высокие температуры и давления, которые усиливают адгезию ПМ к материалу формы.
  • Детали с утолщениями, резкими перепадами толщины.
  • «Глубокие» изделия.
  • Мелкие детали, которые отливаются в многогнездных формах без выталкивателей.
  • Крупные изделия с большой площадью прилегания к поверхности формы, особенно те, что извлекаются без выталкивателей, с минимальным их количеством и/или при высоких температурах выемки.

В любом случае, легкое извлечение полимерных изделий из форм позволяет:

  • полностью автоматизировать работу литьевой машины;
  • повысить ее производительность;
  • уменьшить усилие выталкивателя;
  • увеличить температуру выемки деталей (что дает возможность экономить время и средства на их охлаждении).

Но при этом следует помнить, что лубрикант не облегчает отделение готового изделия, если форма имеет дефекты конструкции или изготовления. К таковым относятся недостаточная конусообразность, искривленные ребра, слишком глубокие и узкие элементы, крупные шероховатости поверхности.

Повышение качества деталей под действием смазок

Введение лубриканта в ПМ предотвращает следующие дефекты литья:

  • недолив вследствие слишком высокой вязкости расплава;
  • волнистость поверхности на концах деталей из-за сниженной скорости потока на таких участках;
  • усадка и коробление готовых изделий (они возникают из-за высокого остаточного напряжения в массе полимера, а добавление смазки заметно его снижает);
  • расслоение и растрескивание деталей, особенно характерное для композитов с наполнителями и смесей различных ПМ (такой дефект появляется из-за неоднородной скорости потока в разных частях формы, а лубриканты эффективно ее выравнивают);
  • матовые пятна в районе впуска (возникают под действием турбулентности потока, лубриканты снижают эластичность расплава и этим самым устраняют нежелательную турбулентность).

Также качество готовых изделий во многом зависит от правильной и аккуратной выемки их из форм. О влиянии лубрикантов на этот этап производства сказано выше. Кроме того, использование смазок предотвращает образование налипаний и нагаров на поверхности форм и каналов оборудования. Это предотвращает появление в массе готового изделия неравномерных включений уплотненного или обгоревшего ПМ. Без лубриканта нагар на стенках постоянно утолщается и по достижении определенной толщины отделяется в расплав, нарушая однородность материала и качество производимых деталей.

Смазки и снижение деструкции ПМ в процессе литья

В последнее время при литьевой переработке полимерных композиций все чаще применяют жесткие условия – высокие скорости, давления и температуры. У такого явления есть несколько причин:

  • интенсификация производительного процесса;
  • востребованность более тонкостенных и сложных изделий;
  • расширение применения точечных впусков и горячеканальных литниковых систем.

В таких условиях в ПМ возникают высокие напряжения сдвига τ, которые могут вызвать его механическую деструкцию. Особенно это касается тонкостенных деталей (толщиной до 0,8–1 мм), случаев применения точечных впусков и высоких скоростей литья. Введение внутренней смазки в состав ПМ позволяет:

  • снизить напряжения сдвига и предотвратить механодеструкцию полимеров;
  • уменьшить температуру литья;
  • снизить разогрев расплава на 5–10 °С при пластикации и прохождении ПМ через тонкие каналы (такие изменения в технологии переработки снижают термоокислительную деструкцию полимеров).

Снижение механо- и термодеструкции ПМ при литье отражается на качестве готовых изделий и отходов. Первым обеспечены нужные эксплуатационные характеристики (цвет, прочность, прозрачность, эластичность), вторым – отличные технологические свойства (возможность полного возврата в технологический процесс).

Влияние смазок на производительность литья и удельную потребляемую мощность переработки

Применение лубрикантов обеспечивает:

  • снижение температуры литья;
  • уменьшение разогрева расплава;
  • снижение времени охлаждения изделия перед выемкой;
  • сокращение литьевого цикла;
  • автоматизацию работы литьевых машин и выемки готовых деталей из форм.

Все это заметно повышает производительность литья. Ее можно увеличить дополнительно путем уменьшения толщины стенок изделий, что тоже доступно благодаря включению в ПМ смазок.

Также добавление лубрикантов снижает удельную потребляемую мощность производства. Это связано с тем, что процесс пластикации ПМ в цилиндре облегчается, и крутящий момент шнека можно уменьшить на 10–40 %. Эти изменения описываются формулой:

Мшсм ≈ 6/9 × Мш,

где Мшсм – крутящий момент шнека при использовании смазки, Мш – крутящий момент шнека при переработке ПМ без смазки. Коэффициент 6/9 указан примерно, его точная величина зависит от свойств конкретного лубриканта.

Потребляемая мощность шнека W зависит от его крутящего момента и частоты вращения N:

W = 1/6 ×10-4×Мшсм × N.

Из этого получается, что удельная потребляемая мощность Wуд при использовании смазки заметно снижается по сравнению с таковой без ее использования:

Wуд = W/G = 1/60 (Мшсм × N / G),

где G – пластикационная производительность.

Поскольку пластикация – самый энергоемкий этап переработки ПМ (до 60–80 % всех энергозатрат), то снижение мощности, потребляемой шнеком, значительно удешевляет все производство.

Применение смазок и экономия сырья

Основная часть затрат полимерного производства приходится на закупку сырьевых материалов. Поэтому экономия сырья значительно снижает себестоимость продукции. Введение смазок помогает сэкономить ПМ сразу несколькими путями:

  1. Лубриканты позволяют отливать изделия при сниженных перепадах давления ΔР. Это предотвращает переуплотнение материала в форме, а значит, снижает массу каждого изделия и удельные затраты сырья. Но такой механизм срабатывает лишь при условии правильно отрегулированного режима сброса давления в литьевой машине.
  2. Благодаря смазкам возможно производить более тонкостенные детали с меньшей массой.
  3. С лубрикантами можно широко применять более прогрессивную горячеканальную литниковую систему. Она обеспечивает производство без отходов (литников).
  4. Благодаря включению смазок любые отходы литья менее подвержены термоокислительной деструкции. Они могут полностью возвращаться в тот же технологический процесс без ухудшения качества готовых изделий.
  5. Снижение температуры литья при добавлении смазок способствует тому, что объем готового изделия не так сильно уменьшается при охлаждении. Это позволяет расходовать сырье более точно и рационально.

Химическая природа промышленных смазок

Лубриканты представляют собой полимерные соединения (–СН2–)n, где n≥12. Длинные неполярные «хвосты» молекул создают смазочный эффект. Большинство смазок для литья под давлением по своей химической природе относятся к таким классам:

  • сложные эфиры жирных одноосновных кислот, многоатомных и высокомолекулярных одноатомных спиртов;
  • соли жирных кислот;
  • амиды жирных одноосновных кислот;
  • синтетические полиэтиленовые воски (смесь низкомолекулярного полиэтилена);
  • кремнийорганические соединения.

Подробная классификация смазок, особенности строения их молекул и назначение указаны в таблице.

Классификация и характеристики смазок

Группа смазок и их характеристика

Примеры промышленных смазок

ПМ, для которых рекомендованы смазки

Функция (способ действия) смазок

1. Полные эфиры жирных одноосновных кислот (С12–28) и многоатомных спиртов (двух-, трех- или четырехатомных); смазки полярные, содержат полярные сложные эфирные группы (–СО2–)

  • Тетрастеарат пентаэритрита (эфир стеариновой кислоты и четырехатомного спирта – пентаэритрита): (–СН2–СО2–(СН2)16СН3)4С.
  • Тристеарат глицерина (эфир стеариновой кислоты и трехатомного спирта – глицерина): C3H5(–C17H35CO2)3.
  • Дистеарат этиленгликоля (эфир стеариновой кислоты и двухатомного спирта – этиленгликоля): (–СН2–СО2–СН2(СН2)16СН3)2

PC, PBT, PET, PMMA, POM, ABS, PA, PS, сополимеры стирола

С уменьшением числа неполярных (–СН2–) групп внешнее действие смазок этой группы в полярных ПМ ослабевает и возрастает внутреннее действие.

Все смазки этой группы отличаются высокой термостабильностью и низкой летучестью

2. Полные эфиры жирных одноосновных кислот (С12–28) и высокомолекулярного одноатомного спирта; смазки полярные, содержат полярные сложные эфирные группы (–СО2–)

  • Стеарилбегенат (эфир стеариновой кислоты и одноатомного бегенилового спирта): СН3(СН2)20–СО2–(СН2)17СН3.
  • Стеарилстеарат (эфир стеариновой кислоты и одноатомного стеарилового спирта): СН3(СН2)16–СО2–(СН2)17СН3

PVC, PBT, PET, ABS, PA, PC, SAN, PP, реактопласты

С уменьшением числа неполярных (–СН2–) групп внешнее действие смазок этой группы в полярных ПМ ослабевает и возрастает внутреннее действие

3. Неполные эфиры жирных одноосновных кислот (С12–28) и многоатомных спиртов (двух-, трех- или четырехатомных); смазки полярные, содержат полярные гидроксильные группы (–ОН) и полярные сложные эфирные группы (–СО2–)

  • Моностеарат этиленгликоля (эфир стеариновой кислоты и двухатомного спирта, одна полярная –ОН-группа не закрыта): СН3(СН2)16–СО2–СН2–СН2–ОН.
  • Смесь моно-, ди- и тристеаратов глицерина (эфир стеариновой кислоты и трехатомного спирта, одна, две полярные –ОН-группы не закрыты).
  • Моностеарат глицерина GMS (эфир стеариновой кислоты и трехатомного спирта, две полярные ОН-группы не закрыты), моноэфира – более 90 %.
  • Смесь моно-, ди- и тристеаратов пентаэритрита (эфир стеариновой кислоты и четырехатомного спирта, одна, две или три полярные –ОН-группы не закрыты)

PVC, ABS, PA, PBT, PET, PMMA, POM, PS, SAN, PE, PP, TPU, реактопласты

С уменьшением числа неполярных (–СН2–) групп и с увеличением числа полярных (–ОН) групп внутреннее действие смазок этой группы в полярных ПМ усиливается

4. Амиды жирных одноосновных кислот (C12–28); смазки полярные, содержат полярную амидную группу (–СО–NH–)

N,N’-этилен-бис-стеарамид (стеарамидный воск): СН3(СН2)16–СО–NH–СН2–СН2–NH–СО–(СН2)16СН3

PA, PE, PP, POM, PET, PBT, ABS, SAN, TPU

С уменьшением числа неполярных (–СН2–) групп внешнее действие смазок этой группы в полярных ПМ ослабевает и возрастает внутреннее действие.

Данные смазки склонны к выпотеванию из готовых деталей

Эрукамид (амид эруковой кислоты с одной двойной связью): C22H43NO

PP, PE, ABS, HIPS

Олеамид (амид олеиновой кислоты с одной двойной связью): C18H35NO

PE, PP

5. Синтетические полиэтиленовые воски (низкомолекулярный РЕ)

  • Гомополимерные (неокисленные) полиэтиленовые воски.
  • Окисленные РЕ-воски, полярные смазки, содержат кислородсодержащие полярные группы, включая карбоксильные группы (–СООН)

PVC, PE, PP, AB

С увеличением числа полярных групп и уменьшением числа неполярных (–СН2–) групп усиливается внутреннее действие смазок этой группы в полярных ПМ

6. Соли металлов жирных кислот (металлические мыла), полярные смазки

Стеарат кальция (кальций стеариновокислый): (СН3(СН2)16СО2)2Са

PE, PP, РРО, PA, PVC

Оказывают комбинированное действие. Их применение ограничено из-за возможной деструкции ПМ при введении металлических мыл и их склонности к выпотеванию из готовых изделий

Стеарат цинка (цинк стеариновокислый): (СН3(СН2)16СО2)2Zn

PS, ABS

7. Кремнийорганические жидкости

Силоксаны

PE, PP, PS, ABS, SAN, PVC

Оказывают комбинированное действие

8. Фторполимеры и фторэластомеры

Фторэластомер (сополимер винилиденфторида и гексафторпропилена) со специальными концевыми группами (G): G–(СН2–СF2)m–(CF(CF3)–CF2)n–G; содержание фтора – до 66 %.

Фторполимер (тройной сополимер тетрафторэтилена, гексафторпропилена и винилиденфторида) (СF2–СF2)x–(CF2–CF(CF3))y–(СН2–СF2)z

PE, PP, PA, PS, PV

Эффективные внешние смазки, используются преимущественно при экструзии

Рекомендации по выбору и применению лубрикантов для конкретных целей

Чтобы выбрать смазку для решения определенной технологической задачи, необходимо определиться с точной целью ее применения. Это может быть предотвращение дефектов продукции, облегчение выемки изделий, увеличение текучести расплава и т.д. Обязательные параметры, которые следует учитывать при выборе смазки:

  1. Химическая структура добавки и ПМ, определяющая способ их взаимодействия. От этого зависит, как будет работать смазка – как внешняя или внутренняя.
  2. Физические характеристики лубриканта (летучесть, цвет, вязкость).
  3. Химические свойства добавки (кислотное, гидроксильное, йодное, щелочное число и т.д.).
  4. Гранулометрические характеристики и сыпучесть смазки.
  5. Наличие в композиции ПМ других добавок, которые могут взаимодействовать с ним и/или смазкой и влиять на их совместимость.

Взаимодействие основного полимера и лубриканта зависит от их молекулярной структуры и молекулярной массы смазки. Совместимость добавки и ПМ возрастает при наличии в их молекулах одинаковых полярных групп – сложных эфирных, гидроксильных, амидных, карбоксильных. Так, чем более полярна смазка, тем сильнее она будет проявлять свойства внутренней для такого же полярного ПМ. И, наоборот, отсутствие одинаковых поляризованных участков приведет к тому, что лубрикант будет действовать по отношению к основному полимеру как внешний.

Полярность добавки снижается с увеличением ее молекулярной массы при постоянном количестве полярных групп в молекуле. К примеру, сложноэфирные смазки стеарилстеарат (СС) и стеарилбегенат (СБ) полярны за счет наличия эфирной группы (–СО2–). При этом СС имеет меньшую молекулярную массу, чем СБ, а значит, более полярен. Поэтому в полярном ПМ стеарилстеарат будет проявлять более внутренние свойства, чем стеарилбегенат.

Выбирая внутреннюю смазку для повышения текучести расплава, не следует забывать, что такая добавка может снизить теплостойкость готового изделия. Поэтому часто лучше отдать предпочтение более внешнему лубриканту, который меньше повлияет на характеристики теплоустойчивости полимера. К примеру, моностеарат глицерина увеличивает текучесть теплостойкого АБС-пластика на 22 %, но снижает его теплостойкость на 7 %. В то же время тетрастеарат пентаэритрита является более внешним по отношению к ABS: он увеличивает текучесть материала на 7 %, а теплостойкость снижает всего на 1,5–2 %.

Еще некоторые рекомендации по выбору смазок для различных ПМ:

  • При переработке конструкционных материалов хорошо зарекомендовали себя эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов. Они термостабильны и отличаются низкой летучестью при нагревании.
  • Неполярные лубриканты, например, полиэтиленовые воски, хорошо подходят в качестве внутренних к полиэтилену. При этом их совместимость возрастает с увеличением длины молекул добавки.
  • По отношению к полипропилену неокисленные полиэтиленовые воски проявляют внешние свойства. Для использования с ПП в качестве внутренних смазок хорошо подходят полипропиленовые воски – с их помощью можно повысить текучесть, дисперсию пигментов и т.д.
  • Окисленные полиэтиленовые воски – отличные внутренние смазки для полярного ПВХ.

Как показывает опыт, чтобы правильно выбрать смазку, удобнее всего действовать в таком порядке:

  1. Определить основные требования к добавке. На этом этапе надо решить, какой функцией она преимущественно должна обладать – внутренней, внешней или комбинированной. Например, для легкой выемки деталей следует остановиться на внешнем лубриканте, а для устранения недолива ПМ в формы лучше подойдет внутренний.
  2. На основании вышеизложенного подобрать группу смазок, подходящих для перерабатываемого полимера.
  3. Проанализировать физические и химические свойства выбранных добавок. Убедиться, что они не вызывают ухудшения свойств ПМ и готовых изделий. К примеру, у поликарбоната при переработке начинается деструкция, если в композиции есть карбоксильные группы. Поэтому смазки с высоким кислотным числом для него не подойдут (максимально допустимое кислотное число добавок для РС составляет 1,5–2,0 мг КОН/г). Также выбранные лубриканты должны хорошо переносить условия переработки ПМ. Если брать в пример тот же поликарбонат, то добавкой к нему может быть только термостойкое соединение с минимальной летучестью (полный эфир жирной кислоты или многоатомного спирта).
  4. Выбрать подходящий способ ввода добавки в расплав ПМ. Как правило, здесь проблем не возникает – современные промышленные лубриканты производятся в форме гранул или прессованных порошков (шариков, чешуек). Они легко добавляются в ПМ при помощи дозаторов, не сбиваются в комки и хорошо смешиваются с основой.

На этом выбор смазки завершается. Но нередки случаи, когда одна добавка не справляется со всеми технологическими задачами. Тогда в ПМ вводят два или более лубриканта. Обычно в подобранной комбинации смазок одна имеет преимущественно внешнее действие, другая – внутреннее.


Возврат к списку