Vady výstřiků – 6. díl, Skryté vady (orientace, struktura, nehomogenita)

V následujících odstavcích popíšeme skryté vady způsobené v důsledku nerovnoměrné orientace makromolekul a vláknitých plniv, nerovnoměrné krystalizace u semikrystalických polymerů a nakonec se zmíníme o vnitřních nehomogenitách u netransparentních polymerů, jako jsou lunkry, řediny, uzavřený vzduch či degradační zplodiny polymeru.

Orientace polymerních řetězců

U polymerních materiálů dochází při vstřikování v důsledku značného smykového namáhání k orientaci makromolekul nebo u vlákny vyztužených termoplastů k orientaci vláken. Orientace je příčinou anizotropie vlastností, zejména pevnostních hodnot materiálu, smrštění a dodatečného smrštění. Má tedy značný vliv na tvarovou a rozměrovou stabilitu výstřiku.

Transparentní polymery

U transparentních polymerů jako např. polystyrenu, polykarbonátu či polymetylmetakrylátu se pro stanovení orientace provádí zjištění tzv. orientačního dvojlomu v polarizovaném světle, který nás informuje o optické anizotropii výstřiku vyvolané rozdílnou orientací makromolekul v různých směrech toku taveniny. Často se též znázorňuje pomocí tzv. izochromát, což jsou geometrická místa stejného stupně orientace. Čím je řád izochromát vyšší, tím je větší stav anizotropie (neuspořádání makromolekul). Příklady jsou uvedeny na obr. 1.

Neprůhledné polymery

U neprůhledných polymerů lze ke stanovení orientace použít nákladné transmisní či reflexní infračervené spektroskopie, případně lze stupeň orientace odhadnout vyhodnocením deformačních změn při temperování výřezu výstřiku ve směru toku. U amorfních termoplastů se temperace provádí nad teplotou T_g (teplota zesklení, bod zvratu druhého řádu). U semikrystalických polymerů se metoda používá ojediněle a vzorek se temperuje nad teplotou T_m (bod tání krystalického podílu).

Metoda deformačních změn není sice nákladná, avšak musíme počítat s průměrnými hodnotami po celém průřezu zkoušeného vzorku. Velikost výřezu z výstřiku závisí na jeho tvaru (např. 30 x 10 mm), vždy však musíme dbát na polohu výřezu s ohledem na tok taveniny do tvarové dutiny formy. V krajním případě lze použít i mikrotomových řezů. Tato metoda je vhodná zejména pro amorfní termoplasty, u nichž se vzorek polymeru zahřívá na teplotu T_g + 20 °C po dobu 30 minut. Např. pro polystyren je teplota temperace 100 °C, pro ABS terpolymer 120 °C, pro polykarbonáty 160 °C atd. Po vychladnutí temperovaného vzorku se měří rozměrová změna (dodatečné smrštění) ve směru toku taveniny. Toto smrštění je úměrné průměrnému stupni orientace.

Vliv technologických parametrů

Vliv technologických parametrů na orientaci byl vysledován experimentálně na výřezech výstřiků z polystyrenu. K vyhodnocení bylo použito jak fotoelasticimetrie, tak deformačních změn při temperaci nad teplotou T_g (obr. 2). Pro amorfní termoplasty byl prokázán pozitivní vliv teploty taveniny a vstřikovací rychlosti, částečně též teploty formy a dotlakové fáze, která ovlivňuje zejména oblast výstřiku v okolí vtoku. Obecně platí, že čím je teplota taveniny a vstřikovací rychlost vyšší, tím je menší anizotropie smrštění výstřiku, neboť se sníží stupeň orientace ve směru toku taveniny. U semikrystalických polymerů není vliv výše zmíněných parametrů tak výrazný, neboť dominantní vliv na vlastnosti zde má obsah a rozložení krystalické struktury. Příklad vlivu anizotropie smrštění na deformaci víka je na obrázku 3.

Orientace vláknitých plniv

Podobně jako orientace makromolekul probíhá při vstřikování plastů vyztužených vláknitými plnivy (nejčastěji skleněnými vlákny) orientace vláken. Rozložení orientace vláken po průřezu výstřiku je patrné z obrázku 4. Těsně u povrchu je uspořádání nepravidelné, pod povrchem převládá orientace ve směru toku a ve středu výstřiku jsou vlákna orientovaná kolmo na směr toku taveniny. V případě, že proud taveniny narazí na překážku (zálisek, jádro formy apod.), změní se charakter orientace ve střední části, kde převládne orientace ve směru toku. Orientace skleněných vláken na zvětšenině řezu reálného výstřiku je na obrázku 5 (vpravo je zřetelně vidět oblast se studeným spojem).

Vláknitá plniva mají značný vliv na anizotropii vlastností a zejména na anizotropii smrštění. Zatímco u výstřiků z neplněných termoplastů je anizotropie smrštění velmi malá (u amorfních polymerů je smrštění ve směru toku nepatrně menší než smrštění kolmo na směr toku, u semikrystalických polymerů je tomu naopak), u vlákny vyztužených polymerů je značná (ve směru toku taveniny je mnohem menší smrštění než ve směru kolmém na tok taveniny). Např. PA 66 vyztužený 50 % skleněných vláken má smrštění ve směru toku 0,2 % a ve směru kolmém na tok 0,8 %. S touto vysokou anizotropií je nutno počítat při navrhování tvarových dutin forem zejména při požadavku na rozměrovou přesnost výstřiků.

Nadmolekulární struktura semikrystalických plastů

Významnou roli v oblasti aplikačního použití semikrystalických polymerů hraje jejich     nadmolekulární struktura, která předurčuje jejich pevnostní chování a rozměrovou přesnost při aplikačním použití. Nadmolekulární struktura polymeru je specifikována obsahem krystalického podílu ve výstřiku, velikostí a rozložením sferolitů, případně skin-core efektem.

Obsah krystalického podílu ve výstřiku

Krystalizace z taveniny polymeru závisí především na teplotě a čase. Schopnost krystalizace souvisí se stavbou makromolekuly a může být pozitivně ovlivněna přítomností aditiv (nukleačních látek). Tak například obsah krystalického podílu v závislosti na tloušťce stěny a technologických podmínkách vstřikování se u polyamidových výstřiků pohybuje od 15 do 40 %, u výstřiků z polypropylenu 40-60 %, z lineárního polyetylenu 50-70 % a z polyformaldehydu 70-80 %. Z technologických parametrů má na obsah krystalinity vliv především teplota formy a doba ochlazování. Čím vyšší je teplota formy a delší doba ochlazování, tím je obsah krystalického podílu větší (obr. 6). Obsah krystalinity je přímo úměrný specifické hmotnosti polymeru, a proto je snadné ho ze specifické hmotnosti vypočítat. Obsah krystalického podílu se mění po průřezu výstřiku, u povrchu je nižší než ve středových oblastech. Závisí též na rozložení teploty tvarové dutiny formy (oblast u ústí vtoku bývá teplejší a jsou tam tedy lepší podmínky pro krystalizaci). Příklad lokální krystalizace výstřiků z PBT a PET je na obrázku 7. Z hlediska vlastností výstřiku platí, že čím je obsah krystalinity vyšší, tím větší je smrštění proti formě a též je větší tuhost, pevnost a tvarová stálost za tepla.

Velikost a rozložení sférolitů

Dalším důležitým faktorem ovlivňujícím pevnostní chování dílů ze semikrystalických polymerů je velikost a rozložení sférolitů. Ideálním stavem jsou drobné a pravidelné sférolity po celém průřezu výstřiku. Pozitivně působí i potlačení skin-core efektu (eliminace povrchové bezsférolitické vrstvy). Velikost a rozložení sférolitů z technologických parametrů ovlivňuje opět především teplota formy a doba ochlazování. Čím jsou tyto parametry vyšší, tím je vyšší strukturní homogenita (obr. 8). Jak již bylo zmíněno, na krystalickou strukturu a velikost sférolitů má velký vliv přítomnost nukleačních látek v polymeru (nukleačními látkami mohou být např. aktivní saze, anorganické pigmenty, skleněná vlákna atd.), viz obr. 9. Tyto látky ovlivňují též teplotu začátku krystalizace a čas krystalizace, potřebný k dosažení optimální struktury.

Strukturní nehomogenita výstřiků

Strukturní nehomogenita výstřiků může být příčinou tvarových deformací a pevnostních rozdílů po průřezu výstřiku. V každém případě nedokonalá struktura, způsobená například vstřikováním do studené formy, může zapříčinit vážné problémy jak z hlediska rozměrové stability, tak z hlediska mechanických vlastností. A jak již bylo zmíněno, ovlivňuje rovněž vnitřní pnutí ve výstřiku.

Skryté vady netransparentních polymerů

Kromě již popsaných vad souvisejících se stavem výstřiku (orientace, vnitřní pnutí, struktura) se setkáváme u netransparentních materiálů s vadami uvnitř výstřiku, které většinou nenarušují kvalitu povrchu. Tyto vady vznikají především jako důsledek objemového smrštění taveniny, a to tehdy, když povrchová vrstva již zatuhne a objemové smrštění pokračuje uvnitř horkého jádra výstřiku. Tyto vady se projevují především v místech nahromadění hmoty, tj. v místech, kde je příliš velká tloušťka stěny. Ve výstřiku v místech nadměrné tloušťky vznikají lunkry (vakuoly) nebo řediny. Z pevnostního hlediska jsou vakuoly díky svému zaoblení méně nebezpečné než řediny, u nichž se může negativně projevit vrubový účinek (obr. 10 a 11).

Z hlediska technologických parametrů je pro odstranění výše uvedených vad dominantní dotlaková fáze. Pro její optimální využití je nutné dostatečně dimenzovat vtokový systém. Při poddimenzovaném vtokovém ústí dojde k jeho předčasnému zamrznutí a tvarovou dutinu formy proto nelze dokonale doplnit.

Dutinky ve výstřiku mohou být způsobeny též uzavřením vzduchu v důsledku nevhodně nastavené dekomprese nebo při příliš velké dávce taveniny překračující 4 D (průměry šneku). Naopak při nastavení malé dávky (pod 1 D) může dojít v důsledku příliš dlouhého setrvání taveniny v plastikačním válci k degradaci polymeru (citlivé jsou např. PMMA, PBT, PET, POM a další polymery). Důsledkem tohoto jevu je podstatné snížení houževnatosti, případně i pevnosti a tuhosti výstřiků.

Lunkry, dutiny i řediny lze odhalit buď rozříznutím výstřiku nebo použitím nedestruktivních metod, jako je ultrazvuk či rentgen.

Tímto článkem končí seriál o vadách výstřiků z termoplastů, publikovaný v časopise MM Průmyslové spektrum v číslech 3 až 11. S ohledem na rozsah této problematiky není oblast informací o vadách úplná a bylo by jistě možné ji zpracovat do větších detailů, event. rozšířit o další vady, se kterými se autor při svém dlouholetém působení v oblasti vstřikování plastů setkal. Tento seriál však uvádí ve formě přijatelné pro všechny pracovníky z oboru vstřikování plastů základní informace o vadách výstřiků, jejich příčinách a způsobech odstraňování. 

Ing. Emil Neuhäusl

emil.neuhausl@pfservice.cz