Orientace makromolekul a vláknitého plniva při vstřikování plastů

8.6.1 Orientace makromolekul a vláknitého plniva při vstřikování plastů

Ing. Miloš Sova, CSc.

K pochopení problému je nutno analyzovat děje, které se odehrávají v dutině vstřikovací formy. Jedním z rozhodujících úseků vstřikovacího cyklu je plnění dutiny formy taveninou plastu. Přestože se jedná o velmi krátký časový úsek, rozhoduje se v něm o tom, zda tavenina zaplní celou dutinu a podaří se zhotovit výrobek žádaného tvaru a zda výrobek bude vykazovat požadované vlastnosti.

Plnění dutiny formy taveninou termoplastu je z teoretického hlediska dějem velice komplikovaným, protože se jedná o proces nestacionární a neizotermický. Navíc se taveniny plastů chovají jako nenewtonské kapaliny. Tavenina má při vstupu do dutiny teplotu přibližně mezi 180 až 300 ⁰C, zatímco teplota formy se udržuje asi na 30 až 80 ⁰C. Při styku taveniny s formou se plast začne okamžitě rychle ochlazovat, protože kovová forma má oproti němu mnohem vyšší tepelnou vodivost. Pro taveniny je dále typické, že mají velmi vysokou viskozitu, a proto je nutno k jejich tváření vždy použít vnější tlak.

Postup plnění dutiny formy ve tvaru válcové tyče:

Postup plnění dutiny formy bude analyzován pro případ tělesa jednoduchého geometrického tvaru, a to tyče s konstantním kruhovým průřezem. Tavenina je vstřikována vtokem, který do formy ústí v ose dutiny. Dále budeme předpokládat, že plnění formy se děje přetržitým způsobem po jednotlivých dílčích, stejně velkých objemových dávkách, z nichž každá je postupně do dutiny přivedena v nekonečně krátké době. První dávka taveniny nejdříve vytvoří kolem ústí vtoku polokouli, jejíž průměr se postupně zvětšuje až dosáhne vnitřní stěny formy. Jakmile se hmota dotkne stěny formy, ihned se ochladí a ztuhne a na stěně se vytvoří tenká vrstvička nepohyblivého plastu. Tato ztuhlá vrstva, vzhledem k špatné tepelné vodivosti plastů, však tepelně izoluje vrstvy nacházející se pod ní a ty chladnou pomaleji. Teplota hmoty směrem k ose se tedy zvyšuje a část hmoty ve středu dutiny je stále tekutá. Tato středová zóna s nízkou viskozitou se nazývá „plastické jádro” a právě jím protékají další dávky hmoty při plnění formy.

Druhá dávka hmoty postupuje do dutiny tak, že před sebou tlačí první dávku nacházející se již ve formě, která se roztéká směrem ke stěnám, kde chladne a tuhne. Podobně se chová třetí a každá další dávka, a to tak dlouho, dokud se nezaplní celá dutina. Postup plnění je znázorněn na obrázku, z nějž je také zřejmé, kde jsou nakonec uloženy jednotlivé dávky hmoty označené 1 až 8. Na stěně v okolí vtoku se nachází dávka, která byla vstříknuta do dutiny jako první. Poněkud dál od vtoku u stěny vidíme druhou dávku, ještě dále třetí a čtvrtou. Ostatní pak vyplňují oblast výstřiku kolem osy. Pod první dávkou u vtoku sice zůstaly tenké vrstvičky z dávek 2 až 7, ale hlavní část představuje dávka poslední, označená číslicí 8, nacházející se ve středu výstřiku. V okolí vtoku jsou pak především dávky 1 a 8, přičemž první je již značně zchladlá, zatímco poslední má teplotu mnohem vyšší. To je jednou z příčin velkého vnitřního pnutí v okolí vtoku.

Plnění formy tedy probíhá tak, že tavenina proudí uvnitř nepohyblivých povrchových vrstev, které v našem případě vytvářejí jakousi trubku. Jednotlivé vrstvy v pohybující se tavenině mají různou rychlost: Ve vrstvě dotýkající se ztuhlé trubky je rychlost rovná nule, směrem k ose trubky se rychlost zvyšuje a v ose je maximální. Vytvořený rychlostní profil odpovídá parabole.

Tok taveniny je charakterizován přítomností smykových sil, které působí na makromolekuly plastu. Ty jsou základním strukturním útvarem u termoplastů. Jestliže je plast v roztaveném stavu, zaujmou makromolekuly takový tvar, který je nejpravděpodobnější. A tím je náhodně sbalené klubíčko. Jsou-li tato klubíčka vystavena účinku smykových sil, více či méně se rozbalují a makromolekuly se uspořádávají do směru toku, který je totožný se směrem působících napětí. To je podstatou orientace makromolekul.

Orientací se makromolekuly dostávají do nerovnovážného stavu, a proto mají snahu vrátit se do tvaru klubíček. K tomu však musí být dostatečně pohyblivé a musí mít k dispozici určitý čas. Pohyblivost závisí hlavně na teplotě. Proces, kterým se ruší nebo aspoň snižuje orientace, se nazývá obecně relaxace nebo konkrétněji dezorientace. Dezorientace probíhá ve formě při současném ochlazování hmoty, takže v některých vrstvách nestačí proběhnout vůbec, v jiných jen zčásti.

Výsledný stupeň orientace ovlivňuje různé vlastnosti výstřiku. Ve směru orientace má výstřik vyšší pevnost a vyšší modul pružnosti, ale nižší tažnost a rázovou houževnatost než ve směru kolmém. Výstřik vykazuje anizotropii nejen mechanických, ale i jiných vlastností. Setkáme se s ní např. i u součinitele teplotní roztažnosti, tepelné vodivosti a smrštění. Orientace je také zdrojem vnitřního pnutí.

Podmínky pro vznik orientované struktury nejsou ve všech místech výstřiku stejné, takže stupeň orientace se ve výstřiku mění jednak ve směru tloušťky stěny, jednak se vzdáleností od vtoku. Tenká vrstvička plastu, která se vytvoří na stěně formy, „zamrzne” dříve, než na ni začnou…