Zvyšování užitných vlastností PP pomocí pletenin

Technologie označovaná jako „in-mould technologie" je určena pro zpracování plastů, pro výrobu konečných interiérových a vzhledových dílů v jedné operaci. Snahou výrobců je i u takto složitých a vícekomponentních dílů dosáhnout co nejnižší ceny. V důsledku rozmachu polyolefínů v automobilovém průmyslu se doporučuje pro tuto technologii používat v celém objemu polypropylen (PP) nebo ABS, resp. polymerní směsi

Technologie je založena na vkládání různých materiálů ve formě polotovaru nebo předtvarovaného dílu do dělicí roviny vstřikovací formy pro zlepšení vybraných vlastností výrobku (mechanické, rázové, rozměrové, tlumicí vlastnosti a schopnosti hybridních výrobků) nebo pro výrobu dílů s vysokou kvalitou povrchu. Jedná se o spojení plastu a dekoračního materiálu za vzniku vysoce kvalitního výrobku při zachování produktivity a ekonomické výroby dekoračních výrobků.

In-mould technologie, možnosti procesu

Principem „hybridních" technologií je ta skutečnost, že tavenina plastu je nastříknuta na jiný materiál (kov, textilie aj.) a dojde ke spojení těchto dvou materiálů a ke vzniku jednoho výrobku s vyššími konečnými užitnými vlastnostmi. Zároveň dojde například k úspoře hmotnosti materiálu, ke zlepšení korozní odolnosti, vzhledových parametrů apod. V zásadě je možné aplikovat technologii ve dvou uspořádáních - horizontálním a vertikálním.

Technologie „koinjekce" u horizontálních strojů pro in-mould technologii zpracování plastů je rychlou, pružnou a hospodárnou alternativou pro nízkotlaké procesy. Důležitým parametrem pro technologii koinjekce s textilií jsou krátké časové distance mezi plněním, čehož se ve většině případů dosahuje rozmístěním horkých vtoků v nástroji nebo kaskádovým vstřikováním. Spojením jednotlivých sekvencí a kontrolou jehly uzavírající trysku se zabraňuje stečení jádra a tedy tvorbě vrásek na povrchu. To však na druhé straně způsobuje zvýšení průtoku v důsledku nízkého tlaku uvnitř formy a zvyšuje nebezpečí vyboulení. Výsledkem je porušení dekorativního materiálu. Odstřižení přebytečné látky po vyrobení je možné buď ve formě (vyšší cena nástroje a delší strojní časy) anebo mimo nástroj.  Princip u horizontálního uspořádání je následující: vložení přístřihu do tvarové dutiny nástroje; opatrné vstřikování taveniny plastu; chlazení výlisku; vyjmutí konečného výrobku.

Při výrobě velkých komponentů a dílů v jediné operaci se používají vertikální stroje. Dekorace je dosaženo přímo v nástroji. Vstřikování taveniny plastu se provádí s maximální opatrností v důsledku nejnižšího tlaku v dutině. Proces je obzvláště vhodný pro výrobu výlisků s dekoračním materiálem na obou stranách. Princip u vertikálního uspořádání je následující: vstřikovací jednotka s velkým průřezem trysky se posune do otevřené lisovací formy a vstříkne extruzí taveninu plastu (tloušťka 10 až 15 mm, plnění 10 až 20 sekund) na povrch spodní části nástroje - tavenina je přerozdělena po ploše výlisku; vložení dekorační textilie do tvarové dutiny nástroje; vstřikovací jednotka se odsune z prostoru lisování a lisovací formy a dojde k uzavření nástroje; lisování za působení teploty a tlaku; vyjmutí konečného dílu (možnost současně plnit formu).

Všechny možné procesy lze provést jako nízkotlaké vstřikovací procesy anebo jako nízkotlaké vstřikovací kompresní procesy. Výhodou je nejenom úspora plastu, vyztužení výrobku, ale i redukce tlaku a tedy vnitřních pnutí.

In-mould technologie a její problematika

Z hlediska technologických oblastí je největším problémem tečení plastu dutinou formy se všemi průvodními jevy tlakových a teplotních procesů na vložený materiál a na napětí v plastu, ve vloženém materiálu a vlivem adheze i v konečném výrobku. Největší změna nastává u textilií, kde je vliv tečení taveniny na posun jednotlivých vrstev největší a to byl i jeden z důvodů, proč je tato oblast řešena.

Textilie a tkaniny z různých materiálů jsou do formy většinou umístěny předem, a tím se dá dle požadavků a typů textilií velice dobře řídit orientace vláken a jejich hustota ve výsledném dílu. Procentový obsah vláken musí být vysoký, aby se zabránilo odplavení jednotlivých textilních vláken polymerem mimo původní umístění. Vstříknutím plastu změní svou polohu asi 30 % vláken, což je však silně rozdílné pro různá místa výrobku z hlediska vzdáleností od ústí vtoku. Výroba probíhá v současnosti dvěma způsoby. Prvním z nich je použití rozsekaných vláken v kapalném pojivu, která se nanášejí na povrch formy a následně se zastříknou plastem anebo se plast vstříkne na souvislou tkaninu. Prvním technologickým postupem lze dosáhnout složitějších tvarů, avšak je zde menší možnost řízení orientace vláken a tento postup je velice pracný. Druhý postup je mnohem lépe automatizovatelný, ale může vést k nepřijatelným změnám hustoty v různých místech vyráběného dílu. Aby nedocházelo k výraznému deformačnímu chování vloženého materiálu, kdy může dojít až k protržení vloženého materiálu nebo k protečení taveniny plastu, musí být tlak taveniny co nejnižší. Dalším výrazným problémem je v další fázi procesu (ve fázi chlazení) změna přestupu tepla do nástroje vlivem vložené vrstvy, jež zabraňuje dotyku taveniny plastu se studeným povrchem vstřikovací formy a dochází k nerovnoměrné tloušťce zamrzlé vrstvy na stěně dutiny formy (viz obr. 1 - označení 03). Při shodných podmínkách temperace (teplota tvárníku a tvárnice) nastává nerovnoměrné tečení v důsledku nerovnoměrného odvodu tepla.

Použité textilie, proces zastřikování a experimentální měření

V popředí zájmu aplikací in-mould technologií je tedy použitý a zvolený materiál pro vnější povrch konečného dílu, který se na kvalitě konečného výrobku a na použití technologie podílí svou schopností deformace (vliv tlaku taveniny na soudružnost), svojí tloušťkou (při malých tloušťkách je proces tečení složitější a klesá i význam dotlakové fáze), adhezí, texturou a hladkostí povrchu na straně taveniny plastu (vliv na proces tečení, na studené spoje, deformaci a nebezpečí protržení). V neposlední řadě vložený materiál také ovlivňuje konečné vlastnosti plastového „hybridu", např. mechanické, fyzikální, korozní apod. Z tohoto důvodu bylo provedeno experimentální měření vlivu použité textilie (pletenina) na zvýšení mechanických vlastností takovýchto hybridních produktů pro technologii vstřikování.

Pro hodnocení vlivu kvality povrchu, vlivu textury vloženého materiálu a vlivu tloušťky na konečné mechanické vlastnosti hybridních dílů byly vybrány dva druhy pletenin ze 100% PL (tzv. fleece), osnovní a zátažná pletenina (textilie). Tyto pleteniny jsou vyztuženy zátažnou oboulícní hladkou vazbou, která je také ze 100% PL. Vzhled je docílen valchováním, počesáním a postřihováním, touto úpravou se dosáhne měkkého zastřeného povrchu textilie s delším, částečně urovnaným vlasem, který zakrývá vazbu. K základní pletenině je spojen lepením.

Tab. 1. Parametry použitých textilních materiálů (pletenin)

Tyto materiály byly vkládány do vlastní vstřikovací formy vždy tak, aby byla zachována podstata správně orientované vzhledové plochy na povrchu výrobku, ale ještě předtím byly vyhodnoceny jejich vlastnosti v různých směrech pomocí tahové zkoušky. Pro zastřikování zvolených vzorků byl použit materiál PP Compound 7990 od firmy Sabic Central Europe, který se používá pro zastřikování textilií používaných v automobilovém průmyslu. Proměnným parametrem byla jednak orientace textilie (0, 45°, 90°) a jednak tloušťka konečného výrobku. Ostatní parametry (tlaky, teploty a časy) byly shodné. Na takto vyrobených tělesech byla následně provedena tahová zkouška pro vyhodnocení vlivu použité textilie na zvýšení užitných mechanických hodnot u takovýchto hybridních dílů získaných pomocí in-mould technologie. Příklady z těchto výsledků jsou uvedeny v tab. 2 a na obr. 3 a 4.

Tab. 2. Výsledky z tahové zkoušky pro hybridní plastové díly - osnovní pletenina + PP (nahoře), zátažná pletenina + PP (dole)

5. Závěr

Z provedených měření a experimentů je patrné, že hybridní díly složené z vrchního materiálu, mezivrstvy, spodního materiálu a nosného materiálu (PP) jsou silně závislé na typu pleteniny a také na způsobu orientace pleteniny při zastřikování (jednotlivé textilie byly vkládány do vstřikovací formy tak, aby se polypropylen nastříkl vždy na rubní stranu textilie, vždy na zpevňující ZOL vazbu) včetně vlivu textury a povrchu zastříkávaného materiálu (na straně taveniny) na proces tečení.

U výrobku s pleteninou 1 a tloušťkou formy 2 mm je maximální napětí v tahu u vzorku s orientací pleteniny ve směru řádku (0°) zhruba o 25 % vyšší než pro orientaci sloupku (90°) a v úhlu 45°. Se změnou orientace pleteniny ve formě poměrné prodloužení klesalo od orientace 45° přes 0° k 90°. U výrobku s pleteninou 1 a tloušťkou formy 3 mm je maximální napětí a prodloužení nižší než pro vzorky o tloušťce 2 mm, avšak závěry z hlediska orientace jsou obdobné. Zajímavé zjištění bylo, že nejvyšších hodnot napětí a prodloužení dosáhl vzorek pleteniny 1 s menší tloušťkou PP. Přitom pro neplněné plasty anebo pro plasty bez ovlivnění povrchu by to logicky mělo být obráceně.

U výrobku s pleteninou 2 a tloušťkou formy 2 mm je maximální napětí nižší než pro textilii - pleteninu 1, a to hlavně pro orientaci 0°. Obdobné výsledky jsme obdrželi i u tloušťky 3 mm. Výsledky maximálních napětí pro obě dvě tloušťky u pleteniny 2 jsou téměř shodné. Výrazně však oproti pletenině 1 kleslo poměrné prodloužení, a to o více jak 50 % pro obě dvě tloušťky, což je zřejmě dáno zvoleným typem textilie. Stejně zajímavé bylo shodné zjištění, že nejvyšších hodnot napětí a prodloužení dosáhl vzorek pleteniny 2 s menší tloušťkou polymeru, tedy PP.

Závěrem je nutné konstatovat, že použití textilních materiálů při zpracování plastů má jak svá úskalí (problematika tečení, vliv typu textilie a podkladové vrstvy, vliv hustoty textilie apod.), tak i své výhody, jako je např. ovlivnění mechanických vlastností (nárůst) a vliv na kvalitu povrchu atd.

Tento příspěvek byl vypracován v rámci řešení projektu MŠM 4674788501.

Lenfeld, P., Půta, J., Seidl, M., Lenfeldová, I., Hurdová, K.

TU v Liberci

petr.lenfeld@tul.cz

//www.ksp.tul.cz

Použitá literatura:

/1/ AVERY, J.: Injection Molding Alternatives, Carl Hanser Verlag, 1998.

/2/ Beaumont, L.: Successful Injection Moulding, Carl Hanser Verlag, 2002.

/3/ BAYER: In-mould lamination of decorative materials through low-pressure injection moulding. ATI, 1992.

/4/ LENFELD, P.: Technologie II-2. část. TU Liberec, leden 2006. ISBN 80-7372-037-X

/5/ HURDOVÁ, K.: Zhodnoceni možnosti použití pletenin pro technologii IN-MOULD decoration. Diplomová práce, TU v Liberci, leden 2009.

/6/ Lenfeld, P. a kol.: Vliv kvality povrchu vkládaného materiálu na tekutost u In-mould technologie. In: Sborník 11. mezinárodní konference „Vstřikování plastů", Praha, 2006, ČR, str. 66-71. ISSN 1213-2632.                                                                           

/7/ www.engel.com

/8/ www.battenffeld.com