Усадка — это уменьшение линейных и объемных размеров полимерного изделия после охлаждения относительно размеров литьевой формы. Данный параметр критически важен при проектировании пресс-форм и технологическом процессе литья пластмасс под давлением. Величина усадки определяется типом полимера, его структурой, температурными режимами и конструктивными особенностями изделия.
Что такое усадка полимеров
Усадка представляет собой физическое явление, при котором пластиковое изделие уменьшается в размерах при переходе из расплавленного состояния в твердое. Когда полимер находится в форме при высокой температуре, его плотность снижена. При последующем охлаждении происходит увеличение плотности материала и соответствующее сжатие объема.
Виды усадки
- Линейная усадка — изменение размеров изделия в одном направлении, измеряется в процентах или миллиметрах на миллиметр.
- Объемная усадка — изменение общего объема изделия, связана с разницей удельных объемов расплава и твердого полимера.
- Технологическая усадка — измеряется через 16-24 часа после формования термопластов при комнатной температуре согласно ГОСТ 18616-80.
- Эксплуатационная усадка — дополнительное изменение размеров в процессе использования изделия под воздействием температуры и влаги.
Физическая природа усадки
Основной причиной усадки является разница между плотностью расплавленного пластика и плотностью охлажденного твердого материала. Кристаллические полимеры при затвердевании формируют упорядоченную структуру, что приводит к значительному уменьшению объема. Аморфные полимеры сохраняют хаотичную структуру и демонстрируют меньшую усадку.
Коэффициенты усадки для различных полимеров
Каждый тип пластика характеризуется своим диапазоном значений усадки. Знание точных коэффициентов необходимо для правильного проектирования литьевых форм и получения изделий с требуемыми размерами.
| Полимер | Коэффициент усадки (%) | Особенности |
|---|---|---|
| Полипропилен (ПП) | 1,8 — 2,5 | Высокая кристалличность, зависит от режимов охлаждения |
| Полиэтилен низкой плотности (ПВД) | 2,0 — 5,0 | Максимальная усадка среди распространенных полимеров |
| Полиэтилен высокой плотности (ПНД) | 1,0 — 4,0 | Зависит от степени кристалличности |
| Полиамид (ПА 6) | 1,5 — 2,5 | Чувствителен к влажности, требует сушки перед литьем |
| АБС-пластик | 0,4 — 0,8 | Аморфная структура, хорошая стабильность размеров |
| Полистирол (ПС) | 0,4 — 0,8 | Аморфный полимер, малая усадка |
| Поликарбонат (ПК) | 0,5 — 0,7 | Стабильные размеры, минимальная усадка |
| Полиэтилентерефталат (ПЭТ) | 1,5 — 2,0 | Полукристаллический, зависит от степени кристаллизации |
| ПП с 30% талька | 0,6 — 0,9 | Наполнитель снижает усадку в 2-3 раза |
| ПП с 30% стекловолокна | 0,5 — 0,7 | Минимальная усадка, высокая жесткость |
Важно: Кристаллические и полукристаллические полимеры имеют усадку от 1,5% до 5%, аморфные — от 0,4% до 0,8%. Добавление минеральных наполнителей или стекловолокна уменьшает коэффициент усадки на 50-70%.
Факторы, влияющие на величину усадки
Технологические параметры процесса литья
- Температура расплава — повышение температуры увеличивает объем расплава и последующую усадку. Чем выше температура, тем больший объем занимает полимер и тем больше усадка при охлаждении.
- Температура формы — более холодная форма ускоряет охлаждение и снижает кристалличность у полукристаллических полимеров, уменьшая усадку.
- Давление впрыска и выдержки — высокое давление уплотняет материал в полости формы, компенсируя объемное сжатие. Чем выше давление, тем меньше усадка и больше плотность материала.
- Время выдержки под давлением — увеличение времени подпитки позволяет компенсировать усадку за счет дополнительного материала до затвердевания литника.
- Скорость охлаждения — быстрое охлаждение препятствует росту кристаллических структур и уменьшает усадку.
Свойства материала
Структура полимера определяет степень его усадки. Кристаллические полимеры при затвердевании формируют плотную упорядоченную решетку, что приводит к значительному уменьшению объема. Степень кристалличности полипропилена может варьироваться в широких пределах, что объясняет диапазон значений усадки от 1,8% до 2,5%.
Добавление минеральных наполнителей существенно снижает усадку. Тальк, карбонат кальция, стекловолокно не дают усадки сами по себе и препятствуют усадке полимерной матрицы. Введение 30% талька в полипропилен снижает усадку с 2% до 0,7%, а 30% стекловолокна — до 0,5%.
Геометрия изделия
- Толстостенные изделия охлаждаются медленнее и демонстрируют большую усадку за счет более высокой степени кристаллизации.
- Неравномерная толщина стенок приводит к анизотропии усадки и короблению деталей.
- Длинные тонкостенные изделия имеют различную усадку вдоль и поперек направления течения расплава.
- Изделия с ребрами жесткости склонны к образованию утяжин на противоположной стороне из-за разной скорости охлаждения.
Расчет размеров формы с учетом усадки
Основная формула расчета
Для определения размеров формообразующей полости применяется следующая формула:
D = M × (1 + S)
где D — размер полости формы (мм), M — требуемый размер изделия (мм), S — коэффициент усадки в долях единицы.
Упрощенный вариант для быстрых расчетов:
D = M + M × S
Пример расчета
Необходимо изготовить деталь из полипропилена с размером 100 мм. Коэффициент усадки ПП составляет 2% или 0,02 в долях единицы.
Расчет: D = 100 × (1 + 0,02) = 100 × 1,02 = 102 мм
Размер полости формы должен составлять 102 мм, чтобы после охлаждения получить изделие размером 100 мм.
Анизотропия усадки
В реальных условиях усадка неодинакова в разных направлениях. Вдоль направления течения расплава усадка обычно меньше, чем в поперечном направлении. Анизотропия усадки характеризуется отношением поперечной усадки к продольной и может достигать 1,2-1,5 для кристаллических полимеров.
Методы контроля и минимизации усадки
Технологические методы
- Оптимизация температурного режима — снижение температуры расплава и формы в допустимых пределах уменьшает объемное расширение и последующую усадку.
- Увеличение давления выдержки — компенсация объемного сжатия за счет дополнительной подпитки материалом снижает усадку на 15-30%.
- Применение равномерного охлаждения — использование конформных каналов охлаждения в форме обеспечивает равномерную усадку.
- Регулировка времени цикла — обеспечение полного затвердевания материала перед извлечением предотвращает деформацию.
Конструктивные решения
Правильное проектирование изделия снижает риск неравномерной усадки. Рекомендуется обеспечивать равномерную толщину стенок, избегать резких переходов сечений, использовать ребра жесткости толщиной не более половины основной стенки. В сложных случаях применяют технологию литья с газом или использование вспенивающих агентов.
Выбор материала
Для изделий с жесткими требованиями к размерной точности выбирают аморфные полимеры или используют наполненные композиции. Минералонаполненный полипропилен обеспечивает усадку в 2-3 раза меньшую по сравнению с чистым полимером при сохранении основных механических свойств.
Измерение и контроль усадки
Определение усадки проводится согласно ГОСТ 18616-80. Испытания выполняют на стандартных образцах через 16-24 часа после формования термопластов при температуре 23 градуса и относительной влажности 50%. Измеряют размеры холодной формы и отформованного изделия с точностью до 0,01 мм.
Относительная усадка рассчитывается по формуле: S = ((Lф — Lи) / Lф) × 100%, где Lф — размер формы, Lи — размер изделия.
Для термореактивных формовочных масс дополнительно определяют усадку после термообработки образцов. Это позволяет оценить полную усадку материала в условиях эксплуатации.
Выводы: Усадка полимеров — критический параметр, определяющий качество и размерную точность изделий из пластмасс. Кристаллические полимеры демонстрируют усадку от 1,8% до 5%, аморфные — от 0,4% до 0,8%. Использование наполнителей, оптимизация технологических параметров и правильное проектирование формы позволяют контролировать усадку и получать изделия с требуемыми характеристиками. Понимание механизмов усадки необходимо инженерам-технологам и конструкторам пресс-форм для успешной реализации проектов.
