СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ Российский патент 1994 года по МПК B29C49/02 

Изобретение относится к области переработки полимерных материалов и может быть использовано для производства термоусаживаемых изделий, которые применяются для неразъемного соединения или герметизации стыков трубопроводов, изоляции поверхности изделий с целью их защиты от влияния агрессивных сред или придания им электроизоляционных свойств, упаковки различных продуктов и т. д.

Известен способ изготовления термоусаживаемых втулок [1], согласно которому трубчатую заготовку из полимерного материала подвергают радиоактивному облучению, нагревают и ориентируют до заданного размера путем создания избыточного давления внутри заготовки с последующим охлаждением (термофиксацией).

Также известно техническое решение [2], согласно которому при производстве термоусаживаемых трубок из полимерных материалов используют облученные заготовки.

Наиболее близким техническим решением является способ раздувного формования полых изделий из термопластов, заключающийся в раздуве помещенной в форму трубчатой заготовки и находящейся в состоянии расплава, с последующим охлаждением в ней полученного изделия [3]. Однако изделия, полученные данным способом, практически не обладают свойством термоусаживаемости, т. е. способностью при их нагревании, восстанавливать исходные размеры заготовки, из которой они были получены.

Целью способа является расширение сферы использования полых изделий из термопластов за счет придания им свойства термоусаживаемости.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Известно, что при деформировании вязкоупругих сред, которыми являются расплавы полимеров, могут развиваться как необратимые деформации течения, так и обратимые высокоэластические деформации. Деформации течения обусловлены взаимным перемещением макромолекул полимера. А высокоэластические деформации реализуются благодаря разворачиванию и ориентации макромолекулярных цепей.

Практически все технологические процессы переработки полимеров в изделия, в том числе и раздувное формование, основаны на переводе полимера в состояние расплава путем нагревания и последующего его деформирования за счет вязкого течения расплава материала, т. е. за счет развития необратимых деформаций.

Свойство же термоусаживаемости обусловлено наличием только обратимых высокоэластических деформаций, которые, будучи зафиксированы в деформируемом материале путем его охлаждения, могут быть реализованы при последующем нагревании материала и при этом будут приводить к изменению размеров образца, который подобно растянутой резине, будет стремиться сократить свои размеры.

Количественный показатель, по которому оценивают термоусаживаемость изделий, носит название степени обратимости деформации S_од и рассчитывается как отношение обратимой ε_e и общей ε деформации, определенных в мере Генки, развившихся в изделии в процессе его формования, т. е.

S_од= · 100% = · 100% , где l_и - характерный размер отформованного изделия;
l_у - характерный размер изделия после термоусадки;
l_з - характерный размер заготовки из которой получено изделие.

В существующих способах получения термоусаживаемых изделий, полимерный материал подвергается радиационному облучению. Это делается с целью создания сетчатой ("сшитой") структуры в материале, т. е. соединения макромолекул между собой. Наличие поперечных связей между макромолекулами препятствует их взаимному смещению, что делает невозможным развитие необратимых деформаций течения. При деформировании такого материала будут развиваться только высокоэластические, обратимые деформации, которые, как указано выше, могут быть зафиксированы путем охлаждения. Это и придает изделиям свойство термоусаживаемости, которое может быть реализовано в дальнейшем при нагревании таких изделий.

Из изложенного следует, что для получения термоусаживаемых изделий необходимо, чтобы в процессе деформирования развивались практически только обратимые высокоэластические деформации при отсутствии необратимых деформаций течения. В существующих способах, как указано выше, термоусаживаемость достигается за счет создания сетчатой структуры материала путем его радиационного облучения. Однако обеспечение развития практически только обратимых деформаций в процессе деформирования (формования) полимерного материала возможно и другим способом - путем перевода материала в состояние высокоэластичности за счет возрастания вязкости расплава полимера в процессе его деформирования. Как известно, увеличение вязкости расплава деформируемого полимера связано с ориентацией его макромолекул и, как следствие, с увеличением межмолекулярного взаимодействия. Однако, наряду с ориентацией макромолекул протекают процессы и их дезориентации, которые приводят к снижению вязкости. Следовательно, для обеспечения развития в деформируемом полимере преимущественно обратимых деформаций и предотвращения развития необратимых, необходимо, чтобы скорость ориентации макромолекул, то есть скорость развития высокоэластических деформаций, зависящая от скорости деформирования полимера, намного бы превосходила скорость их дезориентации, т. е. скорость деформаций течения.

С целью определения параметров процесса раздувного формования, при которых будут выполняться вышеуказанные условия, рассмотрим поведение вязкоупругих полимерных сред, описываемых изотермической неравновесной реологической моделью максвелловского типа и находящихся при раздувном формовании изделия в условиях двухосного симметричного напряженно-деформированного состояния. Для этого случая рассматриваемая модель дает следующее кинематическое скалярное уравнение, описывающее развитие высокоэластических деформаций в раздуваемой заготовке во времени в зависимости от скорости деформирования заготовки и физических констант материала:
= E - e+ e- e- e x
exp - 2e+ e+ e+ e- 6 , (1) где ε_e - высокоэластическая деформация в мере Генки;
= t: θ_o - безразмерное время;
t - время;
θ_o - время релаксации полимера в ньютоновской области его течения;
E= θ_o - безразмерная скорость деформации;
- скорость деформации;
β - безразмерный параметр, характеризующий гибкость макромолекул полимера, определяемый экспериментально [5].

Скорость деформирования заготовки E определяется из решения задачи о деформировании трубчатой заготовки избыточным давлением газа, поступающего в ее полость: рассматриваемая квазиравновесное состояние раздуваемой заготовки и исходя из условия адиабатного расширения газа, поступающего с критической скоростью в полость деформируемой трубчатой заготовки, с учетом первого закона термодинамики, находится искомая зависимость скорости деформирования заготовки от времени:
E = , где E_о= θ_o - безразмерная скорость деформирования заготовки в начальный момент (=0);
= - скорость деформиро-вания заготовки в начальный момент времени (=0), т. е. начальная скорость деформирования;
P_и - абсолютное давление сжатого газа, подаваемого на раздув заготовки;
P_о - абсолютное давление газа в полости заготовки до начала ее раздува;
G_и - объемный расход сжатого газа, подаваемого на раздув заготовки;
V_o - начальный объем полости заготовки;
k_и - показатель адиабаты газа, подаваемого на раздув заготовки.

Анализ решения уравнения (1) показывает, что при раздувании заготовок в полые изделия возможны только два принципиально различающихся варианта развития обратимых деформаций, обусловленных различным соотношением скоростей процессов ориентации и дезориентации макромолекул полимера: в первом случае обратимые деформации сначала немного нарастают, а затем уменьшаются практически до нулевого уровня (кривые 1, 2, 3 на чертеже). Во втором же случае уровень обратимых деформаций непрерывно увеличивается и близок к уровню общей деформации заготовки (кривые 4, 5, 6 на чертеже).

Анализ уравнения (1), а также его решений позволяет установить, что реализация того или иного варианта развития обратимых деформаций при фиксированных значениях β и θ_o зависит от величины начальной скорости деформации заготовки при этом второй вариант развития высокоэластических деформаций возможен при том условии, когда начальная скорость деформирования заготовки больше некоторой критической скорости ее деформирования , значение которой определяется условием непрерывного нарастания высокоэластических деформаций в заготовке в процессе ее раздувания в изделие при минимально возможной начальной скорости ее деформирования и легко находится из уравнения (1), как совокупность только таких его решений, которые отвечают выше сформулированному условию, имеющему следующий формализованный вид:
>0 . На основании изложенного легко устанавливается совокупность значений критических скоростей деформирования раздуваемой заготовки, определяемая следующим соотношением:
= · где безразмерные коэффициенты имеют следующие значения: a= 0,94; a₁=1,51; c=1,15; c₁=2,55; e=0,36. b=0,5; b₁= 1,94; d=2,51; d₁=7,1; e₁=0,13.

Следовательно, для придания полому изделию свойства термоусаживаемого за счет развития в нем в процессе его формования практически только высокоэластических деформаций, необходимо вести деформирование заготовки, из которой формуется изделие, с начальной скоростью деформирования выше критической, т. е.

> . (2) В противном случае высокоэластические деформации в формуемом изделии практически не развиваются, а само изделие не обладает свойством термоусаживаемости, что и наблюдается на практике.

Как видно из соотношения (2), необходимую начальную скорость деформирования , в зависимости от свойств перерабатываемого материала β и θ_o можно обеспечить любым из следующих технологических параметров процесса P_o, P_и, G_и, V_o, k_и, и θ_o, определяемых, согласно соотношению (2), следующим образом:
P_o< P2 ; V_o< G · ;
P_и> P2· k_и< ;
G_и>2V ;
θ_o> 2 ·
На фиг. 1 представлены качественные зависимости развития высокоэластической деформации ε_e от безразмерного времени при различных начальных скоростях деформирования заготовки : кривые 1, 2, 3 ((< <)) не соответствуют условию (2); кривые 4, 5, 6 ((< <)) соответствуют условию (2).

Способ изготовления полых изделий из термопластов осуществляется следующим образом.

П р и м е р 1. Изготавливают полое изделие типа "цилиндр" с наружным диаметром d_н=45 см из полиэтилена высокого давления, из экструзионной трубчатой заготовки с наружным диаметром d₃=4,5 см и объемом полости V_о=100 см³, находящейся в состоянии расплава при Т=423К, путем ее раздува сжатым воздухом, поступающим в полость заготовки, с абсолютным давлением P_и=0,5 МПа и объемным расходом G_и=31,3 см³/с и последующим охлаждением изделия в форме. До начала раздува давление в полости заготовки равно атмосферному, т. е. P_o ≈ 0,1 МПа. Показатель адиабаты для воздуха k_и=1,4, а реологические характеристики материала при указанной температуре по данным испытаний составляют: θ_o=0,27 с, β =0,2.

По заданным параметрам процесса и реологическим характеристикам материала определяют значения критической скорости деформирования заготовки и начальной скорости ее деформирования :
= · = 10,25 с^-1;
= ≈ 0,5 с^-1, анализ соотношения которых показывает, что условие (2) не выполняется.

Полученное изделие нагревают выше температуры плавления материала с целью количественной оценки свойства термоусаживаемости, после чего замеряют диаметр изделия. Измерения показывают, что значение диаметра составляет d_у= 44,9 см, а степень обратимости деформации изделия:
S_од= · 100% = · 100 % = · 100 % = 0,1 % , что свидетельствует о том, что при невыполнении соотношения (2), усадка в отформованном полом изделии практически отсутствует, а, следовательно, само изделие практически не обладает свойством термоусаживаемости.

П р и м е р 2. Изготавливают полое изделие по способу, описанному в примере 1, с той разницей, что заготовки производят сжатым воздухом с объемным расходом G_и= 640см³/с.

В этом случае значение начальной скорости деформации заготовки составляет:
= = 10,1 с^-1, сравнение которой с критической скоростью (см. пример 1) показывает, что условие (2) не выполняется. Наружный диаметр полученного изделия после его нагревания выше температуры плавления составляет d_у=43,7 см, а степень обратимости деформации составляет:
S_од= · 100% = 1,2% , что свидетельствует о том, что при невыполнении соотношения (2) усадка в отформованном полом изделии практически отсутствует, а, следовательно, само изделие практически не обладает свойством термоусаживаемости.

Для придания формуемому изделию свойства термоусаживаемости, раздув заготовки ведут с начальной скоростью ее деформирования выше критической, при этом необходимую начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем ее раздувания сжатым воздухом с давлением, определяемым из соотношения:
P_и > P2· = 0,12 · 10,25= 0,51 МПа.

С учетом полученного значения, раздув заготовки ведут сжатым воздухом с давлением, например P_и=0,54 МПа>0-51 МПа. В этом случае значение начальной скорости деформирования заготовки составляет:
= = 10,67 с^-1, сравнение которой со значением критической скорости деформирования (см. пример 1), показывает, что условие (2) выполняется. Наружный диаметр полученного изделия после его термоусадки составляет d_у=6,1 см, а значение показателя степени обратимости деформаций:
S_од= · 100 % = 86,9 % , что свидетельствует о том, что усадка отформованного полого изделия близка к 100%, а следовательно, отформованное при данных условиях изделие обладает свойством термоусаживаемости.

Необходимую начальную скорость деформации заготовки можно обеспечить и путем ее раздувания сжатым воздухом, расход которого определяют из соотношения:
G_и 2V= 2·100 10,25 = 649,4 см³/с. С учетом полученного значения, раздув заготовки ведут сжатым воздухом с расходом, например, G_и= 1017>649,4 см³/с. В этом случае значение начальной скорости деформации заготовки составляет:
= = 16,0 с^-1, сравнение которой со значением критической скорости деформации (см. пример 1) показывает, что условие (2) выполняется.

Наружный диаметр полученного изделия после его термоусадки составляет d_у=5,24 см, а значение показателя степени обратимости деформации:
S_од= · 100 % = 93,5% , что свидетельствует о том, что усадка отформованного полого изделия практически равна 100%, а следовательно, отформованное при данных условиях изделие обладает свойством термоусаживаемости.

Необходимую начальную скорость деформации заготовки можно обеспечить и путем раздува заготовки, начальный объем полости которой V_oопределяют из соотношения:
V_o< G = ·640 = 98,6 см³. С учетом полученного значения ведут раздув заготовки, начальный объем полости которой V_o, например V_o=50 см³<98,6 см^3. В этом случае значение начальной скорости деформации заготовки составляет:
= = 20,2 с^-1, сравнение которой со значением критической скорости (пример 1) показывает, что условие (2) выполняется.

Наружный диаметр полученного изделия после его термоусадки составляет d_у=5,2 см, а значение показателя степени обратимости деформации:
S_од= · 100 % = 93,5% , что свидетельствует о том, что усадка отформованного полого изделия близка к 100%, а, следовательно, отформованное при данных условиях изделие обладает свойством термоусаживаемости.

Необходимую начальную скорость деформации заготовки можно обеспечить и путем создания абсолютного давления в полости раздуваемой заготовки до начала ее раздува, определяемого из соотношения:
P_o < P2 = 0,52 · 10,25 0,098 МПа. С учетом полученного значения заготовки ведут при абсолютном давлении в полости заготовки до начала ее раздува, например, P_o=0,05 МПа<0,098 МПа. В этом случае значение начальной скорости деформации заготовки составляет:
= · = 16,57 с^-1, сравнение которой со значением критической скорости (см. пример 1) показывает, что условие (2) выполняется. Наружный диаметр полученного изделия после его термоусадки составляет d_у=5,5 см, а значение показателя степени обратимости деформации:
S_од= · 100% = 91,7% , что свидетельствует о том, что усадка отформованного полого изделия близка к 100%, и следовательно, отформованное при данных условиях изделие обладает свойством термоусаживаемости.

Необходимую начальную скорость деформации заготовки можно обеспечить и путем подачи на раздув сжатого газа с показателем адиабаты, определяемым из соотношения
k_и< = = 1,37. С учетом полученного значения раздув заготовки ведут сжатым углекислым газом, показатель адиабаты которого K_и= 1,3<1,37. В этом случае значение начальной скорости деформации заготовки составляет:
= = 11,0 с^-1, сравнение которой со значением критической скорости (см. пример 1) показывает, что условие (2) выполняется. Наружный диаметр полученного изделия после его термоусадки составляет d_у=6,8 см, а значение показателя степени обратимости деформации
S_од= · 100% = 82,2% , что свидетельствует о том, что усадка отформованного изделия близка к 100%, а следовательно, отформованное при данных условиях изделие обладает свойством термоусаживаемости.

Необходимую начальную скорость деформации заготовки можно обеспечить и путем раздува заготовки, время релаксации материала которой в ньютоновской области его течения при температуре переработки определяют из соотношения
θ_o> 2 · =
= 2 · 2,7675= 0,275 с.

С учетом полученного значения, ведут раздув заготовки, время релаксации материала которой в ньютоновской области его течения составляет, например, θ_o = 0,5 с>0,27 с. Для этого, экструзию заготовки из полиэтилена, как нетрудно установить из известных зависимостей, ведут при температуре на 10 градусов ниже, чем в примере 1.

В этом случае значения начальной и критической скоростей деформации составляют:
= = 10,1 с^-1, а
= · = · 2, 7675 = 5,5 с^-1, а их сравнение показывает, что соотношение (2) выполняется. Наружный диаметр полученного изделия после его термоусадки составляет d_у=5,2 см, а значение степени обратимости деформации:
_{·100%=93,5%,} что свидетельствует о том, что усадка отформованного полого изделия близка к 100% а, следовательно, отформованное при данных условиях изделие обладает свойством термоусаживаемости.

Использование: изготовление полых изделий методом раздува из термопластов. Сущность изобретения: раздув заготовки ведут с начальной скоростью ее деформирования больше критической. Начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем подачи на раздув сжатого газа с абсолютным давлением, значение которого определяется математической зависимостью, включающей абсолютное давление газа в полости заготовки до начала ее раздува, начальный объем полости заготовки, объемный расход сжатого газа, подаваемого на раздув заготовки, показатель адиабаты газа, подаваемого на раздув заготовки, критическая скорость деформирования заготовки. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕРМОПЛАСТОВ, включающий раздувание помещенной в форму трубчатой заготовки, находящейся в состоянии расплава, с последующим охлаждением в форме полученного изделия, отличающийся тем, что, с целью расширения сферы использования полых изделий путем придания им свойств термоусаживаемости, раздув заготовки ведут с начальной скоростью ее деформирования больше критической. 2. способ по п.1, отличающийся тем, что начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем подачи на раздув сжатого газа с абсолютным давлением
P>P2 ,
где P₀ - абсолютное давление газа в полости заготовки до начала ее раздува;
V₀ - начальный объем полости заготовки;
G_и - объемный расход сжатого газа, подаваемого на раздув в заготовки;
K_и - показатель адиабаты газа, подаваемого на раздув заготовки;
- критическая скорость деформирования заготовки;
= · ;
Θ_o - время релаксации перерабатываемого полимера в ньютоновской области его течения при температуре переработки;
β - безразмерный параметр, характеризующий гибкость макромолекул перерабатываемого полимера;
безразмерные коэффициенты имеют следующие значения:
a = 0,94,
a₁ = 1,51,
c = 1,15,
c₁ = 2,55,
e = 0,36,
b = 0,5,
b₁ = 1,94,
d = 2,51,
d₁ = 7,1,
e₁ = 0,13. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем подачи на раздув сжатого газа, расход которого
G>2V . 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем раздува заготовки с начальным объемом ее полости
V_o< G. 5. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем создания абсолютного давления в полости заготовки до начала ее раздува
P_o>P2 . 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем подачи на раздув сжатого газа и с показателем адиабаты
k_и< . 7. Способ по п.1, отличающийся тем, что начальную скорость деформирования заготовки обеспечивают путем раздува заготовки, время релаксации материала которой в ньютоновской области его течения при температуре переработки
θ_o> 2 · .