Domeniul de studii universitare: INGINERIA MATERIALELOR SPECIALIZAREA ȘTIINȚA MATERIALELOR LUCRARE DE LICENȚĂ Calitatea produselor injectate din… [306245]

Universitatea Politehnica Timișoara

Facultatea de Mecanică

Departamentul Ingineria Materialelor și Fabricației

LUCRARE DE LICENȚĂ

Timișoara, 2020

Universitatea Politehnica Timișoara

Facultatea de Mecanică

Domeniul de studii universitare: INGINERIA MATERIALELOR

SPECIALIZAREA ȘTIINȚA MATERIALELOR

LUCRARE DE LICENȚĂ

Calitatea produselor injectate din material plastic

Timișoara, 2020

UNIVERSITATEA POLITEHNICA TIMIȘOARA AVIZAT

Facultatea de Mecanica

Departamentul IMF

S.L.dr.ing. Cristian COSMA

Numele și prenumele student: [anonimizat], nume complet)

Specializarea Anul univ.: 2019-2020

(majuscule)

Coordonator științific:

Titlul temei:

Conținutul lucrării *):

Stagiu și documentare **):

Data primirii : 30 noiembrie 2019 Data predării: . . . . . . .

(1 săptămână înaintea susținerii)

Semnătura autorului lucrării Semnătura coordonator lucrare

*) [anonimizat], elemente de specificație pentru temă.

**) [anonimizat] a fost solicitată de intreprindere

PLAN DE ACTIVITATE

pentru elaborarea lucrării de licență

Data:

Semnătura conducătorului/[anonimizat]-o înlănțuire a unui număr mare de molecule simple denumite monomeri.

Monomerul este o molecula având un aranjament particular al elementelor C, H, O, N si mai rar Cl, S, Si.

[anonimizat] a [anonimizat]-o suita de reacții chimice identice prin care la început doua molecule de monomeri formează un dimer ca apoi adăugând a treia molecula sa se obțină un trimer si așa mai departe. Începând de la treizeci de molecule de monomeri înlănțuite utilizam termenul de polimer pentru desemnarea materialului plastic. Lanțul de monomeri desemnează in acest context o molecula de polimer. [anonimizat], in baza unui proces chimic denumit polimerizare.

Totuși nu toate moleculele simple monomer se pot înlănțui pentru a da naștere unui polimer. Pentru polimerizare o molecula trebuie sa aibă câteva caracteristici chimice care sa-i permită înlănțuirea. Structura substanțelor macromoleculare a suscitat mult timp probleme legate de întrebarea daca era vorba de molecule mari sau de asociere de mici molecule. Răspunsul a fost dat de chimistul Standinger. [anonimizat] a căror masa moleculara este mai mare decât 1000g/mol, de unde si denumirea de macromolecule. Majoritatea macromoleculelor sunt constituite pornind de la elementele C, H, O, N, si mai rar Cl, S, Si.

Urmărind reacțiile de sinteza se poate spune ca o [anonimizat] a căror grad de polimerizare si deci masa molara moleculara sunt diferite.

In legătura cu definirea macromoleculelor se pot face următoarele remarci;

• Pentru ca un aranjament A sa formeze macromolecule trebuie sa dispună de mai mult de o legătura, astfel nu poate constitui decât un dimer A-A;

• Daca A [anonimizat]a, dar nu neapărat liniara ținând cont de unghiul legăturilor intre atomi;

• Daca aranjamentul monomeric schimba 3 sau mai multe legături cu monomerul vecin molecula devine tridimensionala formând un volum sau un bloc.

In polimerii utilizați ca materiale plastice, fibre sau cauciucuri, gradul de polimerizare este de obicei ajustat de așa maniera ca sa aibă intre 10000 si 1000000 atomi in înlănțuire. Pentru polietilena acesta corespunde unui grad de polimerizare mergând de la 500 la 50000

Pentru a ilustra lungimea unui asemenea lanț de polietilena sa ne imaginam atomul de carbon ca o sfera de 1cm diametru in care caz șirul de sfere sau avea o lungime intre 10m si 1km.

Intr-o reacție de polimerizare se poate utiliza un singur monomer, de exemplu etilena, rezultând un homopolimer. Când lanțurile conțin mai mulți monomeri diferiți in înlănțuire avem copolimeri. Exista mai multe situații de polimerizare când rezultatul conduce la obținere copolimerilor.

• Polimerizarea unui amestec producând cel mai des un copolimer statistic;

• Polimerizarea unui singur monomer care la epuizare este înlocuit cu un alt monomer ce continua înlănțuirea conducând la copolimerul secvențial;

• Polimerizarea unui monomer in prezenta altui polimer. Înlănțuirile noului polimer pot sa se atașeze.

Starea fizica si tranzițiile in polimeri

Conceptul existentei materiei in trei stări – gazoasa, lichida, solida- nu este aplicabil de o maniera satisfăcătoare in cazul polimerilor. In primul rând polimeri in stare gazoasa nu exista, energia de agitație termica necesara pentru separarea ( evaporarea) unui lanț de polimer depășind de departe energiile de legătura. Un polimer adus la temperaturi ridicate se va descompune înainte de a se evapora, La încălzirea polimerilor nu se produce o volatilizare a acestora ci o descompunere a substanței macromoleculare, la o temperatura determinata, cu ruperea legăturilor chimice si rearanjarea atomilor ,astfel încât compușii macromoleculari se pot prezenta doar sub doar stări de agregare, solida si lichida.

Vascoelasticitatea este proprietatea unui corp de a prezenta un comportament intermediar intre cel specific corpurilor elastice si cel specific fluidelor. Intr-un corp elastic limita de curgere marchează trecerea de la comportarea predominant elastica la cea predominant vâscoasă. In mod analog un fluid real care manifesta plasticitate poate fi considerat ca fiind un fluid vâscos cu proprietăți elastice. In domeniul reologiei se considera ca solidul real care manifesta plasticitate este de fapt un solid elastic care prezinta vâscozitate .Așa dar plasticitatea nu apare ca o stare reologica fundamentala ci ca o forma de existenta a corpilor reale corespunzătoare trecerii acestea de la un echilibru cvasistatic la unul dinamic.

2.1 Aditivii polimerilor

In general aditivii polimerilor sunt produse care se amesteca cu polimerii pentru a le modifica proprietățile fizice sau chimice pentru a obține proprietăți favorabile utilizării si fabricării. Oricare ar fi, aditivii trebuie sa prezinte următoarele proprietăți:

• Performante proprii;

• Compatibilitate la amestecare;

• Compatibilitate cu utilizările materialului;

• Stabilitate in timp;

• Raport favorabil performanta/preț.

Aditivii general utilizați pot fi grupați in 3 mari categorii:

• Plastifianți;

• Stabilizanți;

• Aditivi diferiți.

Plastifianți

Un plastifiant este un solvent greu, care incorporat polimerului, distruge parțial interacțiunile dintre lanțurile ce asigura coeziunea mecanica si transformă materialul inițial rigid intr-unul suplu, flexibil. Nu toate interacțiunile sunt distruse, cele ramase conferind rețelei o structura tridimensionala care evita alunecarea lanțurilor, unul in raport cu celălalt. Rigiditatea diminuează cu concentrație un plastifiant la cel ca si temperatura de vitrifiere.

Ca un exemplu: PVC rigid neplastifiat are temperatura de fragilizare 0°C

PVC plastifiat are temperatura de fragilizare -5°C pana la -60°C in funcție de natura si concentrația plastifiantului utilizat.

Stabilizanți

Stabilizanții sunt destinați pentru întârzierea sau inhibarea unor procese responsabile de alterarea structurii in timpul fabricării sau utilizării pieselor din material plastic. Practic folosim noțiunea de sistem de stabilizare, înțelegând prin aceasta utilizarea amestecurilor de stabilizanți ce acționează in sinergie. Stabilizanții pot fi grupați in 3 categorii de utilizare:

• Stabilizanți anti-oxigen;

• Stabilizanți termici;

• Stabilizanți anti-lumina.

Stabilizanții antioxigen sunt utilizați in majoritatea polimerilor hidrocarbonați, in special PE, PP, cauciucuri si copolimeri diverși. Scopul acestora este de a inhiba oxidarea termica in cursul prelucrării si utilizării pieselor realizate din polimerii menționați. In general se folosesc concentrații mici, sub 1%, caz in care nu se modifica sensibil culoarea si proprietățile fizice ale polimerilor. Stabilizanții anti-oxigen cei mai folosiți sunt negrul de fim, fenolul si aminele.

Stabilizanții termici sunt specifici pentru polimerii clorați (PVC) inhibând degajarea acidului clorhidric (HCl) si formarea structurilor conjugate foarte colorate. Concentrațiile de folosire sunt reduse intre 1…3%.

Stabilizanții anti-lumina trebuie sa asigure o relativa insensibilitate a materialului plastic la efectele radiațiilor luminoase (pigmenți, negru de fum, absorbitori de ultraviolete).

Coloranți si pigmenți

Coloranții sunt soluții in matricea polimerică pe când pigmenții sunt insolubili fiind prezenți sub forma de dispersii. Pigmenții conferă opacitate in raport cu coloranții, care permit si formule colorate transparente. Pigmenții sunt caracterizați printr-o buna stabilitate in timp, ceea ce nu e cazul coloranților. Pentru incorporarea coloranților sau pigmenților se utilizează frecvent un amestec foarte bogat in colorant care se diluează cu polimer pana la obținerea culorii dorite si care pune mai mu puține probleme de omogenizare ca si amestecul direct dintre polimer si colorant. Colorarea in masa are un caracter de dispersie si nu de reacție chimica. Tonurile care se obțin sunt influențate de distribuția si puterea de acoperire, de natura chimica a pigmentului dar si de unii agenți de umplere folosiți. La alegerea colorantului trebuie sa se tina seama de stabilitatea termica, chimica, la acțiunea radiațiilor, puterea de migrare, cost, compatibilitate cu materialul de baza, condițiile de exploatare a materialului plastic. Se ia in considerare si modul cum poate influenta caracteristicile fizice, chimice si mecanice ale materialului plastic.

Aditivi antișoc

Aditivii antișoc sunt polimeri (PE clorata) si mai ales copolimeri de tip ABS sau MBS care formează sisteme multifaza cu polimerul si ameliorează rezistenta sa la soc. Sunt utilizați la nivelul câtorva procente cu precădere in PVC.

Aditivi antistatici

Ei permit limitarea acumulărilor de sarcini electrice la suprafața polimerilor si astfel evitarea unor fenomene nedorite cum sunt fixarea prafului sau producerea scânteilor. Se pot obține proprietăți antistatice in doua moduri:

• Fie realizând un film de aditiv antistatic la o suprafața prin proiectare de aerosoli

• Fie incorporând aditivul care va creste productivitatea materialului facilitând scurgerea sarcinilor (negru de fum, particule metalice, amine, fosfați organici). Concentrațiile sunt in general sub 1%.

Aditivii ignifuganti

Aceștia pot avea funcții diverse la nivelul amorsării sau propagării combustiei pe care oricum o fac mult mai dificila. Unii ignifuganti au un efect inhibitor al proceselor de oxidare in faza gazoasa, alții au un efect de răcire generând procese puternic endoterme cu absorbție importantă de energie, iar alții defavorizează schimburile gazoase intre polimer si atmosfera. Ca si in cazul stabilizanților se caută efectul sinergic al acestora. Concentrațiile pot atinge sau depășii 10%.

Lubrifianti

Indeplinesc de regula mai multe functii: imbunatatesc comportamentul reologic al topiturii prin reducere frecarilor, reduc vascozitatea topiturii si imbunatatesc proprietatiile de curgere.

In raport cu functiile pe care le indeplinesc lubrifiantii, lubrifierea poate fi interna sau externa.

Lubrifierea interna se refera la caracteristicile de curgere ale polimerului insusi si corespunde la o diminuare a frecarilor interne intre aglomerarile de macromolecule; materialul poate fi procesat la temperaturi mai joase.

Lubrifierea externa previne lipirea materialului termoplastic de suprafetele metalice calde ale masinii de.injectare.si matritei, formand un strat subtire de lubrifiant care usureaza transferul materialului.

Eficienta si proportia intre actiunea interna si externa a lubrifiantului sunt determinate de constitutia chimica si starea fizica a aditivului. Pentru a asigura echilibrul intre lubrifierea interna si cea externa trebuie cunoscuta limita de compatibilitate intre lubrifiant si polimer. Proportia de lubrifiant intr-un amestec de polimer, poate incepe de la 0,1…2%, insa cel mai frecvent este intre 0,25…0,50%, raportat la volumul de polimer.

Pentru a fi eficient, un lubrifiant trebuie sa fie compatibil cu polimerul, sa nu influenteze negativ proprietatile produselor finite, sa nu prezinte toxicitate.

Ca lubrifianti interni se utilizeaza: acidul stearic, stearati de magneziu, de aluminiu, de cupru, de zinc, de calciu, poliglicoli cerosi, ceruri, grafit, grasimi, uleiuri, parafine, uleiul de parafina, etc.

Ca lubrifianti externi se utilizeaza: ulei de ricin sulfonat, siliconi, stearati.

Agentii antistatici

Sunt substante care se adauga polimerilor pentru a reduce acumularea incarcarii electrostatice de pe suprafata pieselor injectate.

Acumularea sarcinilor electrostatice se produce in timpul prelucrarii ca urmare a frecarii materialului plastic de suprafetele metalice in masina de injectat si in matrita. Aparitia incarcarii electrostatice produce urmatoarele inconveniente:

– scantei si descarcari electrostatice care sunt periculoase in atmosfera exploziva;

– faciliteaza si intensifica depunerea prafului pe suprafata produselor neprotejate.

Intaritorii

Sunt materiale de ranforsare sau armare care, adaugate unui polimer, au drept scop principal imbunatatirea unor proprietati mecanice: rezistenta la tractiune, rezistenta la forfecare, rezistenta la abraziune, s.a.m.d.

Ranforsarea polimerilor, pe langa imbunatatirea proprietatilor mecanice, diminueaza pretul si rezolva anumite probleme de prelucrabilitate sau punere in forma. In general, factorii care influenteaza alegerea materialelor pentru ranforsare sunt: proprietatile materialelor de ranforsare, nivelul de rezistenta mecanica dorita, aspectul estetic, aspectul economic.

Materialele de ranforsare folosite in mod curent in aplicatii industriale pot fi sub forma de: fibre, microsfere sau fulgi.

Materialele de umplutura

Sunt substante sau amestecuri de substante de natura minerala, vegetala sau animala, care se amesteca cu polimerul pentru a-i modifica anumite proprietati fizico-mecanice sau pentru reducerea costului prin aport volumic cu material ieftin.

Materialele de umplutura pot reduce: fisurarea, deformarea si porozitatea materialului, starea suprafetei, rezistenta la abraziune, la temperatura, umiditate.

De asemenea, materialele de umplutura, pot asigura stabilitatea dimensionala a pieselor injectate, diminuarea presiunilor de injectare si coborarea temperaturilor de prelucrare.

Agentii de odorizare

Sunt substante chimice care corecteaza mirosul compozitiilor de polimeri. Unele materiale termoplastice dezvolta un miros necorespunzator datorita fie constitutiei chimice a polimerului, fie auxiliarilor care intervin in timpul prelucrarii (stabilizatori, plastifianti, etc.).

Ca agenti de odorizare se folosesc: compusi organici, uleiuri naturale sau diverse hidrocarburi lichide. Agentii de odorizare se introduc in compozitiile de polimer (intr-o concentratie de 0,02…0,5%, caz in care trebuie sa reziste la temperaturile de prelucrare prin injectare) sau se aplica pe piesa injectata prin stropire sau imersie.

Natura si structura materialelor polimerice

Utilitatea materialelor polimerice este in prezent extrem de diversificată: industria de construcții, industria mobilierului, industria ambalajelor, industria textilă, industria de aparate electronice și mecanice, industria aerospațială și aeronautică, artă, optică etc.

Polimerii organici stau la baza constituirii mai multor grupe importante de materiale de utilizare industrială:

• "materiale plastice" (polietilenă, polipropilena, policarbonat, polistiren, PVC, teflon, etc);

• fibre sintetice (nylon, acrilic, poliamide, …);

• elastomeri (cauciuc natural, policloropren, poliizopren, …);

• vopsele (produse pe bază de soluții sau emulsii de polimeri);

• adezivi (soluții sau emulsii de polimeri).

Definirea polimerilor

Denumirea de "material plastic" este la ora actuală larg uzitată deși, din punct de vedere tehnic, formularea mai corecta este "material polimeric". Un argument in favoarea afirmatiei de mai sus este faptul ca și materialele metalice sunt plastice de la o anumită temperatură, ”plastic” fiind de altfel si otelul. O definiție adecvata pentru “materiale polimerice" (sau "materiale plastice", intr-un limbaj mai putin tehnic) ar putea fi :

Materialul polimeric (plastic) reprezintă un amestec de unul sau mai mulți polimeri cu aditivi, cu proprietăți particulare necesare fabricării de produse și utilizării acestora.

Pentru desemnarea acestor materiale se foloseste de asemenea formularea "materiale macromoleculare", apelare justificata de microstructura acestora.

Polimerii organici naturali cei mai cunoscuți sunt :

Acidul dezoxiribonucleic (ADN), prezent in fiecare organism uman, purtător al codului genetic

Amidonul, prezent in cereale sau tuberculii de cartof provine din sinteza glucozei și permite inmagazinarea energiei în plante ;

Celuloza, polimer provenind din monomerul glucoză , este un component esențial al materiei vegetale care asigură rezistența mecanică necesară plantelor și sursa primară de energie necesară animalelor ;

Keratina, polimer natural ce se regasește in lână , păr , carapacea țestoaselor ;

Colagenul , polimer ce asigură integritatea structurală a țesuturilor conjunctive ;

Latexul , polimer natural dispersat in apă sau seva unor arbori (cauciuc natural) .

Polimerii sintetici reprezintă astăzi sute de sortimente și se regăsesc în numeroase aplicații tehnice datorită unor proprietăți foarte diferite.Polimerii sintetici se obțin prin reacții de sinteză chimică pornind de la monomeri obținuți fie din produse naturale (lemn, reziduri agricole) fie din carbon, fie din produse petrochimice.

Actualmente cel mai rentabil procedeu de obtinere (sinteza) a polimerilor organici de uz industrial foloseste ca materie prima hidrocarburi, gaz natural sau carbune de zacamant si este schematizat in figura urmatoare:

Nafta Monomer

PETROL, POLIMER

GAZ NATURAL

Rafinare Cracare Polimerizare

Sinteză

Fig. 2.1 Obtinerea prin sinteza a polimerilor de uz industrial

Un polimer este o substanță chimică rezultată in urma unei polimerizari. Deși din punct de vedere chimic polimerii sunt foarte diferiți ei au un element comun și anume acela că sunt constituiți din molecule gigant denumite macromolecule.

Polimerii, ca substanțe macromoleculare organice de sinteză, sunt constituiți din module (grupări chimice) de bază în care predomină elementele chimice C, H, O, (mai rar N, Cl, F, S). Acestea formează un "aranjament" (aranjament monomeric, notat "[A]", cu un anumit număr de legături chimice disponibile) care se repetă de un mare număr de ori, "n", astfel încât formula polimerului poate fi exprimată prin notația " [A]n " (n = grad de polimerizare frecvent notat și "DP").

Pentru polimerii amorfi, cu grad mediu de polimerizare, si Tv > Tamb se disting patru stări fizice caracteristice: două solide (sticloasă sau vitroasă și starea înalt elastică sau superelastică) și două fluide (starea de fluid elastovâscos și starea vâscoasă). Deși delimitarea acestor stari nu este neta si este particularizata de pozitia relativa a valorilor de temperatura Tamb , Tv , Tc , Tt .

Particularitatea cea mai importantă a compușilor macromoleculari o constituie faptul că în procesele fizico-chimice sau fizico-mecanice intră porțiunea de catenă sau (lanț macromolecular) și nu veriga elementară așa cum este cazul în reacțiile chimice. De aceea, în legătură cu definirea macromoleculelor se fac următoarele precizări :

Dacă “A” dispune de două legături de carbon cu aranjamentele vecine, molecula obținută este unidimensională, filiformă dar nu liniară ținând cont de unghiul legăturilor între atomi. Ipotetic se poate satisface condiția ca toate legăturile carbon-carbon (C-C) să formeze unghiuri de 109°28' în același plan geometric, dar aceasta situație, figura 2.2, este proprie doar sistemelor de macromolecule care, zonal, prezintă o organizare volumică avansată (semicristaline).

Pentru aceasi formula chimica si acelasi grad de polimerizare exista posibilitatea dispuneriii spatiale diferite a ramificatiilor macromoleculei, figura 2.4.

In anumite condiții de temperatură și solicitare mecanică exterioară, orice atom de C poate pivota în jurul axei definită de legătura C-C (figura 2.3). Pentru un polimer a cărui macromolecule conțin între 1.000 până la 100.000 atomi de carbon, numărul configurațiilor posibile este extrem de mare și lanțul de lungime medie a unui astfel de polimer nu va avea o forma alungită (așa numita configurație liniară), ci dimpotrivă va adopta o formă spațială aleatoare, pliată denumită "pelota statistică". Astfel de structuri spațiale, vecine și întrepătrunse, definesc structurarea volumică a polimerilor.

Capacitatea atomilor de carbon de a pivota in jurul legaturii comune este data de viteza de transformare conformațională, dependentă de raportul dintre valorile energiei de activare a rotirii, E, și energia factorilor externi.

Cu cât fi mai mare, cu atât se va micșora flexibilitatea catenei macromoleculare, motiv pentru care E este denumită și "flexibilitate cinetica", U0. O catenă poate fi caracterizată ca rigidă dacă bariera de potential E este mare deoarece flexibilitatea cinetica este mică.

In acest caz, fără aport exterior de energie pentru depășirea nivelului valoric E, segmentele catenei macromoleculare au o mobilitate redusă și vor executa doar răsuciri de o parte și de alta a poziției de minima energie potențiala.

Polimerii cu energie de coeziune specifică de nivelul a 4103 8103 J/mol sunt "elastomeri", cei cu 8103 2104 J/mol sunt "materialele plastice" iar cei cu peste 2104 J/mol sunt considerați "fibre".

Excepție face polietilena care, după valoarea energiei de coeziune specifică (4,2104 J/mol) ar trebui să prezinte proprietăți specifice elastomerilor dar, datorită capacității de ordonare a structurii prin cristalizarea parțială a volumului de material, are proprietăți de material plastic.

Mobilizarea sau flexibilizarea macromoleculei de polimer, pentru anumite valori de temperatura, confera acestor materiale o proprietate aparte: elasticitatea de tip cauciuc sau elasticitatea înaltă. La temperatura ambianta aceasta "stare î.e.", caracterizată de deformare elastică reversibilă până la 10%, este caracteristică numai elastomerilor.

Celelalte categorii de compuși macromoleculari sunt capabile a se comporta astfel doar la temperaturi superioare valorii Tv, temperatură de la care devine posibilă rotația segmentelor de lanț macromolecular. Acestea devin mobile (tranziții de ordin I, II sau III, figura 2.6) și pot ocupa, în spațiu, alte poziții de energie minimă ca răspuns la o solicitare externă, [ICL].

Stari de agregare si temperaturi caracteristice

Materialele polimerice au la baza macromolecula constituita din "n" monomeri inlantuiti. In macromolecula, numarul acestora da gradul de polimerizare n = 500 100.000.

Comportamentul polimerilor solizi în general și al materialelor plastice în particular nu pot fi suficient de bine descrise fără o privire comparativă în raport cu proprietățile general cunoscute ale celorlate materiale și fără a le asocia anumite caracteristici proprii lichidelor. Două aspecte ale organizării atomilor și moleculelor în material prezintă un interes particular:

– ordinea, respectiv regularitatea aranjamentului spațial a elementelor constitutive,

– mobilitatea elementelor constitutive (atomi/molecule).

În principiu toate substanțele se pot regăsi sub trei stări fizice distincte ; gazoasă, lichidă și solidă. Starea fizică a unei substanțe la o anumită temperatură și sub o anumită presiune rezultată din echilibrul dintre energia termică și energia de coeziune. Energia de coeziune reprezintă energia ce ar trebui furnizată atomilor sau moleculelor unei substanțe ce se găsește la temperatura de zero absolut pentru ca ea să treacă din stare solidă în stare gazoasă. Această energie este determinată de natura legăturilor, fiind ridicată în cazul legăturilor tari (ionice, covalente, sau metalice) și mai redusă în cazul legăturilor slabe (forțe Van der Waals, interacțiuni bipolare).

In cazul polimereilor energia de disociere este inferioara valorii energiei de coeziune motiv pentru care compușii macromoleculari există numai în stările de agregare condensate : solidă respectiv lichidă.

Pentru caracterizarea proprietăților compușilor macromoleculari starea de agregare este neconcludentă și de aceea se definește starea de fază care reprezintă o porțiune dintr-un sistem, omogenă din punct de vedere al compoziției chimice și proprietăților, separată de restul sistemului prin suprafețe nete. Se deosebesc două stări de fază ale polimerilor: cristalină și amorfă, figura 2.7.

Starea de fază cristalină se caracterizează prin aranjarea pachetelor de macro-molecule flexibile în forme regulate formând rețele spațiale. Pachetul care cristalizează posedă limite de separație și tensiune superficială, însușiri caracteristice substanțelor cristaline.

Starea de fază amorfă este opusul fazei cristaline implicând elemente structurale neordonate și fără simetrie.

Temperaturile caracteristice ale polimerilor sunt: temperatura de fragilizare Tb , temperatura de vitrifiere Tv temperatura de curgere Tc , temperatura de topire Tt , temperatura de degradare termică Td . Valoarea temperaturii la care este adus materialul polimeric este definitorie pentru starea de agregare, comportamentul si proprietatiile materialului.

Temperatura de fragilizare Tb (sau Tg , valoare pozitiva sau negativa) este temperatura minimă până la care materialul nu este casant in conditii de solicitare mecanica.

Temperatura de vitrifiere Tv reprezintă temperatura până la care se menține starea sticloasă caracterizată de deformații elastice foarte mici.

Temperatura de curgere Tc reprezintă temperatura până la care se menține starea înalt-elastică.

Temperatura de topire Tt este caracteristică polimerilor cristalini și marchează trecerea de la starea cristalină solidă la starea lichidă. Temperatura de degradare termică Td este temperatura la care începe descompunerea polimerului sub influența căldurii. Cu cât gradul de polimerizare este mai mare, cu atât stabilitatea termică este mai mică. (paradox : lant lung => proprietati mecanice bune dar stabilitate termica mica)

La compușii macromoleculari în afara stărilor de agregare și de fază se definește și conceptul de "stare fizică". Polimerii amorfi se prezintă în trei stări fizice: vâscoelastică, înalt elastică și vitroasă (sticloasă). Acestea se deosebesc între ele printr-o serie de proprietăți din modificarea cărora se determină temperaturile de transformare dintr-o stare în alta, cât și dependenta lor de structura și proprietățile polimerului. Cele trei stări ale polimerului amorf pot fi urmărite pe diagrama deformație specifica – temperatură, figura 2.8.

Polimerii amorfi sunt caracterizati de temperatura de vitrifiere Tv, iar polimerii semicristalini se caracterizează atât prin temperatură de topire, Tt , cât și prin temperatură de vitrifiere, Tv . Polimerii numiți „cristalini” sunt de fapt semicristalini cu grad de cristalinitate cuprins intre 90 99%. Nu exista polimer cristalin 100%.

Proprietățile fizico-mecanice ale fazei cristaline se schimbă după direcția de orientare, ele fiind anizotrope, iar ale fazei amorfe nu se schimbă cu orientarea, ele fiind izotrope. O proprietate specifica este variatia volumului specific in functie de temperatura, figura 2.9. Tranzitiile de faza sunt insotite de modificari insemnate ale volumului specific (contractie specifica) de care se va tine seama la dimensionarea produsului din material polimeric.

Caracterizarea proprietăților fundamentale comune ține cont de particularitățile fizico-mecanice ale materialelor plastice. Teoria elasticității și plasticității în sensul clasic (Hooke, Coulomb) sunt practic indaptabile pentru studirea comportamentului mecanic a materialelor plastice în general. Noțiuni ca cele de ductibilitate și fragilitate, care pot fi asociate fără ambiguitate materialelor tradiționale, n-au nici o semnificație când sunt aplicate materialelor termoplastice.

Materialele plastice, în special cele termoplastice, prezintă un comportament vîscoelastic, adică proprietatea specifică corpurilor vîscoase de a înmagazina energia de deformare și la care aplicarea unei tensiuni va provoca o deformație tinzând la un echilibru în timp. Vîscoelasticitatea si curgerea vîscoasă a fluidelor sunt concepte ale reologiei care studiază deformarea solidelor în funcție de timp. Reologia se aplică betonurilor, metalelor la temperaturi înalte și mai ales polimerilor.

Astfel de materiale au un comportament intermediar, nici ca solide în sensul legii lui Hooke, nici ca fluide în sensul legii lui Newton, ci mai degrabă specific metalelor la temperaturi înalte sau produselor păstoase cum ar fi smoala, argila, aluatul.

În tabelul 2.1 sunt indicate, pentru o serie de polimeri liniari de uz curent, temperaturile de fragilizare (Tg) și temperaturile de topire (Tt sau Tf) caracteristici esentiale atunci cand se decide procesarea polimerilor in stare topita.

Primii doi polimeri (PE, PP) se prezintă la temperatura ambiantă semicristalini cu faza amorfă în stare plastifiată. Ca atare sunt utilizați ca materiale plastice moderat rigide, modulul lor de elasticitate fiind superior la 1 Gpa. Aceste tipuri de materiale pot suferi de obicei deformări remanente importante. Nylonul 66 constând dintr-o dispersie de cristalite în fază amorfă vitroasă (Tv = 500C) este un polimer relativ fragil în stare uscată. Utilitatea lui este ameliorată datorită absorbției de umidate atmosferică, care acționează ca și plastifiant și reduce temperatura de vitrifiere a părții amorfe a polimerului. Polimerii semicristalini (ex. : PA 66, PE, PP) sunt opaci, transparenta fiind o calitate exclusiva a polimerilor amorfi.

Tabelul 2.1 [ICL]

Starea sticloasă este caracterizată de deformații elastice foarte mici care cresc liniar cu temperatura respectând legea lui Hook și se explică prin preponderența însemnată a forțelor inter- și intramoleculare asupra energiei de agitație termică. Această stare se menține până la temperatura de vitrifiere Tv. Temperatura de vitrifiere scade cu micșorarea masei moleculare.

Starea înalt-elastică începe deasupra temperaturii de vitrifiere. Pe intervalul corespunzător stării înalt elastice deformațiile cresc rapid la început, după care rămân constante până la temperatura de curgere Tc. În acest domeniu polimerul dezvoltă deformații mari, reversibile, datorate mișcărilor termice executate de segmentul de lanț, fără ca moleculele să se deplaseze independent.

Starea vâscoelastică începe în cazul polimerilor amorfi la temperatura Tc. Acest domeniu se caracterizează printr-o mișcare termică intensă a segmentelor de lanț și a macromoleculelor în întregime. Temperatura de curgere marchează apariția, alături de deformația elastică reversibilă, a deformației ireversibile.

Temperatura de curgere nu reprezintă o valoare fixă ci un interval caracteristic pentru fiecare polimer în parte, în funcție de configurația polimerului, de factori cinetici (viteza de încălzire) și de durata aplicării sarcinii. La Tc energia cinetică a macromoleculelor învinge forțele de coeziune moleculare, ceea ce permite mișcarea lor relativă de alunecare. Valoarea acestei temperaturi crește cu gradul de polimerizare.

Prelucrarea materialelor plastice este dependentă de starea lor fizică, astfel încât un anumit procedeu de prelucrare poate fi aplicat numai într-un anumit interval de temperatură., figura 2.10 , corespunzator unei anumite stari fizice.

Corelatia intre temperatura, starea de agregare si posibilitatile de prelucrare a materialelor polimerice este redata în figura 2.11.

Din punct de vedere al comportării termo-mecanice se deosebesc următoarele grupe mari de polimerii: termoplaste, termorigide si elastomeri.

Formarea pieselor din material plastic si elastomeri

Tehnologii de formare

Injectia: prelucrarea prin injectie este cel mai larg procedeu industrial de obtinere a articolelor din materiale plastice. Prin acest procedeu materialul plastic, adus in stare de curgere prin actiunea caldurii este introdus, sub presiune in cavitatea unei matrite, asa zisa si cuib, unde are loc racirea si solidificarea topiturii de polimer.

Extrudarea: reprezinta procedeul de prelucrare prin care materialele, in stare plastica, sunt fortate sa treaca printr-o filiera ce le confera forma dorita;

Suflare: tehnologie de formare a corpurilor goale inchise;

Infasurare: Metoda consta in rularea, in spirala, a materialului de armare, impregnat cu o solutie de compus macromolecular pe o forma si reticularea prin incalzirea polimerului la temperaturi 420…425K, cu aer cald sau cu radiatii inflarosii;

Caladrare: Procesul de laminare al materialului plastic, intre mai multi cilindri, care se rotesc in sens contrar, incalziti si distantati intre ei astfel incat sa determine grosimea foii;

Termoformare: consta in deformarea, cu mijloace mecanice sau cu ajutorul diferentei de presiune sub vid sau cu aer comprimat, a unui semifabricat din material plastic, incalzit la o anumita temperatura, situata in intervalul de inmuiere.

Expandare PSE: operatia de expandare implica formarea sau dispersia unui gaz, sub forma de bule, intr-un material fluid. Dupa formare, bulele se maresc si se stabilizeaza in matricea lichida, a carei vascozitate creste pana la solidificarea finala.

Spume PU: tehnologie de formare a produselor alveolare in care polistirenii expandati se produc prin majorarea temperaturii in doua etape

Comprimare: formarea prin comprimare este procedeul prin care un material, adus in stare de curgere, este fortat, prin presare, sa umple cavitatea unei matrite. Datorita efectelor de comprimare si incalzire materialul se intareste in forma.

Transfer: materialul sub forma de pudra sau pastila preincalzita, este dispus intr-o camera de transfer, care face parte din presa. Intr-o prima faza pudra este inmuiata, in a doua faza este transferata, din cilindrul de lucru in cuibul de formare, cu ajutorul unui piston, prin canalele de umplere. La trecerea prin canalele de transfer, materialul topit se omogenizeaza si devine mai compact, iar produsele volatile se elimina complet.

Descrierea procesului de injecție polimeri

Prelucrarea prin injecție consta in transformarea unui compus macromolecular din stare solida in cea plastica si introducerea acestuia sub presiune intr-o matrita de formare in interiorul careia este prevazut negativul piesei ce urmeaza a se obtine.

Materialul, care a umplut locasul matritei este intarit prin racire (in cazul in care acesta este unul termoplast) sau incalzite ( termoreactive, elastomeri)

Prin injectie se obtin produse cu tolerante dimensionale stranse care in cele mai multe cazuri nu necesita prelucrari ulterioare. Procedeul tehnologic poate fi complet automatizat sau robotizat.

Procesul de injectare este un fenomen ciclic, fiecare ciclu cuprinde urmatoarele etape:

Alimentarea cu material (dozarea);

Incalzirea si topirea materialului in cilindrul masinii;

Inchiderea matritei;

Introducerea materialului topit sub presiune in matrita;

Solidificarea si racirea materialului din matrita;

Deschiderea matriței;

Eliminarea piesei injectate din matriță;

Elementele masinii de injectie

Descrierea etapelor

Parametrii care influențează calitatea unui produs finit obținut prin injecție

Acești parametrii sunt:

Presiunea pistonului in cilindru;

Temperatura materialului injectat, temperatura matriței;

Durata unui ciclu de injecție

Presiunea pistonului in cilindru

Pe parcursul procesului se dezvolta o serie de forte care executa presiuni importante asupra materialului termoplastic.

Acolo unde, este presiunea interioara, presiunea exterioara si presiunea hidraulica.

Evolutia presiunii in functie de etapele injectiei:

Umplerea matritei, in momentul umplerii, creste valoarea pentru ; (portiunea de curba 1-2);

Compactizarea, se aplica o presiune ulterioara, (portiunea de curba 2-3), dupa care presiunea va scadea pana la valoarea presiunii de sigilare (portiunea de curba 3-4);

Răcirea si evacuarea obiectului din matriță, cu scădere mai lenta a presiunii (porțiunea 4-5);

Temperatura materialului injectat, temperatura matriței

Topirea materialului termoplastic se face prin transmiterea caldurii de la peretele cilindrului la material sau prin transformarea energiei mecanice in energie termica prin frictiune.

Temperatura matritei este hotaratoare pentru calitatea produselor injectate.

Dinamica temperaturii materialului termoplastic de-a lungul cilindrului si a matritei, este reprezentata grafic in figura de mai jos.

– temperatura polimerului la intrarea in cilindru;

– temperatura de topire a polimerului;

– temperatura de injectie;

– temperatura in matrita;

– coordonate pe lungimea masinii

In interiorul cilindrului, la timpul are loc incalzirea la temperatura si plastifierea. Topitura curge in cilindrul si duza masinii si se incalzeste pana la temperatura transferului termic prin pereti.

Durata unui ciclu de injecție

Ciclul de injecție cuprinde următoarele faze principale:

Închiderea matriței;

Apropierea agregatului de canalul de injecție din forma;

Injectarea materialului (2 sec. pentru o piesa cu masa de 100g);

Aplicarea presiunii de compactizare;

Retragerea agregatului de injecție;

Intarirea materialului injectat in matriță (6 sec.)

Deschiderea formei si evacuarea piesei (2 sec.)

Clasificarea masinilor de injectie

Dupa sistemul de actionare, masinile se pot clasifica in:

Manuale, acestea pot produce obiecte cu o greutate de 5-15g;

Pneumatice, care de obicei au partea de inchidere a matritei actionata manual, iar pistonul de injectie e actionat pneumatic;

Electromecanice, care pot produce piese in greutate de pana la 2000g;

Electrohidraulice, care in prezent sunt cele mai raspandite si pot produce obiecte cu greutate intre 20 g…20 kg;

Mecanohidraulice, care folosesc actionarea mecanica pentru inchiderea matritei si actionarea hidraulica pentru injectarea polimerului.

După direcția de lucru, mașinile pot fi:

Mașini orizontale, la care axa agregatului si direcția închiderii matriței sunt orizontale (fig. a);

Mașini verticale, la care închiderea matriței si injectarea materialului se face vertical; prezinta avantajul ca ocupa o suprafață utila mai mica (fig. b);

Mașini cu unitatea de închidere orizontala si unitatea de injectare verticala (fig. c);

Mașini cu unitatea de închidere verticala si unitatea de injectare orizontala (fig. d);

Mașini cu unitatea de închidere orizontala si unitatea de injectare orizontala (fig. e).

Dupa tipul agregatului de topire si de injectare, mașinile pot fi:

Mașini cu piston si cu cilindru de încălzire, cu sau fără torpila (fig. a);

Mașini cu piston-melc, având unul sau doi melci (fig. b);

Mașini cu piston si dispozitiv auxiliar de pre plastifiere (fig. c).

xxss

4.2.5 Solicitarea ciclică, de lungă durată (oboseala)

Cu trecerea timpului, pentru o piesă injectată, valorile caracteristicilor mecanice scad și cresc deformațiile.

Efortul unitar la care se produce ruperea se micșorează cu trecerea timpului. Variația în timp a deformației specifice la temperatură și sarcină constantă depind de natura polimerului. După o anumită durată, deformația crește accelerat într-un interval scurt de timp, momentul începerii acestui proces fiind de foarte mare importanță la utilizarea piesei injectate. Pentru proiectare se utilizează valoarea rezistenței de durată d în funcție de timp, la diverse valori de temperatura pentru fiecare material plastic.

Durabilitatea sau durata până la rupere a unui material plastic depinde de temperatură și de efortul unitar aplicat. Durata până la rupere este influențată de efecte corozive și în general de mediul în care se află piesa injectată.

Dacă sarcinile aplicate pentru piesele injectate variază periodic între o limită maximă și una minimă, se spune că piesa injectată este supusă la solicitări variabile sau la solicitări la oboseală. Variația efortului unitar pornind de la o valoare oarecare și până ajunge din nou la aceeași valoare și la același sens de variație, formează un ciclu al solicitării variabile, figura 2.20.

Caracteristicile de rezistență ale materialului ca urmare a acestei solicitări se diminuează cu creșterea numărului de cicluri de solicitare tinzând către o valoare constantă după un număr foarte mare de solicitări. Variația periodică în timp a efortului unitar poate fi provocată pe cale mecanică sau poate fi urmarea unor fluctuații periodice de temperatură.

4.2.6 Proprietăți tribologice

Comportarea tribologică a materialelor termoplastice influențează prelucrarea prin injectare și de asemenea influențează alegerea lor pentru construcția pieselor supuse fenomenelor de frecare . Acestea se studiază în combinațiile polimer-polimer și polimer-metal. Proprietățile tribologice ale materialelor termoplastice depind de natura polimerului, de natura și cantitatea componentelor recepturii, de natura suprafeței de contact, de rugozitatea suprafetelor în contact, de presiune, de temperatură și de viteza relativă a pieselor.

Și pentru mase plastice ca și pentru metal există următoarele stadii de frecare: frecarea uscată, frecarea mixtă și frecarea fluidă.

Coeficientul de frecare pentru diferite materiale plastice în cazul frecării uscate și mixte poate fi urmărit în tabelul 2.2.

În procesul de frecare al materialelor plastice se constată transfer de material plastic de pe o suprafață pe alta, ceea ce confirmă ipoteza naturii adezive a frecării și uzării. Se constată că forța de frecare pentru materiale plastice se compune din două componente:

Ff = Fa +Fd, (2.3)

în care: Fa – forța necesară ruperii micilor joncțiuni determinate de adeziunea celor
două suprafețe aflate în contact;

Fd – forța necesară deformării (sau deplasării materialului) ca urmare a
întrepătrunderii neregularităților celor două suprafețe aflate în contact.

Adaosul unor lubrifianți micșorează atât frecarea interioară a polimerului, cât și frecarea pe suprafețe metalice. Lubrifianții formează un film între polimer și suprafața metalică, evitând lipirea materialului pe această suprafață, în cazul unei polietilene, de exemplu, prin ungere cu apă, coeficientul de frecare devine de două ori mai mic decât în cazul frecării uscate și se reduce aproape la zero în cazul ungerii cu emulsie.

Tab.2.2 Coeficientul de frecare pentru diferite materiale plastice

Temperatura suprafeței metalice cu care materialul plastic se află în contact influențează coeficientul de frecare, astfel costatându-se creșterea coeficientului de frecare cu scăderea temperaturii. Astfel, la temperaturi mari sau la viteze mari, coeficientul de frecare crește, figura 2.21.

Rugozitatea suprafeței joacă un rol important pentru cupla materialului plastic-metal, constatându-se, un minim pentru PA 6.6 și o variație mai puțin pronunțată pentru celelalte materiale plastice, figura 2.22).

Presiunea de contact influențează atât coeficientul de frecare cât și intensitatea uzării. Pentru toate materialele plastice, creșterea presiunii de contact conduce la creșterea uzurii.

Durata frecării în general modifică valoarea coeficientului de frecare, în timpul frecării are loc uzarea suprafețelor aflate în contact.

Se disting trei tipuri de uzare la materialele plastice:

– uzare abrazivă cauzată de asperitățile mai dure ale suprafeței cu care materialul plastic vine în contact;

– uzare de oboseală cauzată de variația ciclică a eforturilor unitare locale care are loc prin detașarea locală a unor particule de material plastic;

– uzarea de adeziune cauzată de forțele de adeziune dintre suprafețele în contact, care se manifestă prin transfer de la o suprafață la alta.

Defecte de suprafață la polimerii injectați

În majoritatea cazurilor, calitatea suprafeței la piesele termoplaste obținute prin injecție este criteriul principal în aprecierea calității. Datorită inter-relațiilor complexe dintre piesa injectată și matriță, compusul injectat și proces, este foarte greu să recunoaștem originea problemelor apărute și în același timp sa luam masuri în acest sens.

Detectarea si clasificarea defectelor/ cauze fizice si remedii

Aceste defecte sunt:

Urme de retasură a materialului

Striații

Striații produse de ardere

Striații produse de umiditate

Striații colorate

Striații produse de aer

Striații datorate fibrei de sticlă

Strălucire/Diferențe de strălucire

Linia de separație

Jeturi de material

Efectul/arsurile Diesel

Efectul de striații amprentate

Striații albe și fisuri datorate solicitărilor

Piese injectate cu profil exterior incomplete

Bavuri

Urme vizibile ale ejectorului

Deformația din timpul demulării

Aer prins în interiorul piesei

Cauzele fizice

Pentru a elimina defectele de suprafață care pot apărea, cât se poate de repede și în același timp cât se poate de ieftin, cunoștințele despre cauzele care produc defectele sunt esențiale. Cu aceste cunoștințe operatorul poate decide cu rapiditate ce tip de defect este și de ce tip de remediere este nevoie. În continuare, cunoștințele despre cauzele fizice ale defectelor ajută la înțelegerea diagramei de curgere. În mod suplimentar, acest capitol va dă informații importante despre optimizarea rapidă a procesului de injecție și evitarea defectelor care pot apărea.

Urme de retasura a materialului

Urmele de retasură a materialului apar de exemplu, în apropierea acumulărilor de material, ca niște depresiuni pe suprafața piesei injectate, dacă contracția termică nu poate fi compensate.

Urme de retasura a materialului in apropierea muchiilor

Urme de contracție a materialului, apar în timpul procesului de răcire, dacă contracția termică a

materialului nu poate fi compensată în anumite zone. Dacă pereții exteriori ai piesei injectate nu

sunt bine formați, datorită răcirii insuficiente, stratul extern este absorbit către cel interior sub influenta procesului de răcire.

Există trei cazuri fundamentale:

• solidificare prea lentă

• timpul efectiv al presiunii de menținere este prea scurt

• transfer insuficient al presiunii de menținere, datorat rezistenței la curgere prea mari din

interiorul matriței.

5.1.2 Striații

Striațiile, în special cele de ardere, cele datorate umezelii și cele datorate incluziunilor de aer, sunt foarte asemănătoare, făcând dificilă clasificarea vizuală a acestora, dacă nu chiar imposibilă. De aceea producătorul are nevoie de mai multe informații despre plastic, despre procesul de prelucrare și influenta mediului înconjurător pentru a putea clasifica stiațiile.

Semnele ale striațiilor produse de ardere:

Striația apare periodic;

Striația apare în spatele marginii planului de separație sau a muchiilor ascuțite din matriță;

Temperatura topiturii este apropiată de limita de sus a procesului;

Reducerea vitezei de avans a melcului constituie un impact pozitiv asupra acestui tip de defect;

Reducerea temperaturii topiturii are un impact pozitiv asupra acestui tip de defect;

Timpul de reținere îndelungat în unitatea de injecție sau în partea din fată a melcului;

Procentul mare de material reciclat sau o dacă o parte a materialului a mai fost topită deja de câteva ori înainte;

Matrița este echipată cu sistem de preîncălzire;

Matrița este echipată cu duză cu obturator;

Semne ale striațiilor produse de umiditate:

Materialul are tendința să absoarbă umiditatea (ex. PA, ABS, CA, PBTB, PC, PMMA, SAN);

La injectarea în gol, topitura prezintă zone de aer și/sau vapori;

La o injectare parțială materialul solidificat prezintă cratere în structură;

Umiditatea materialului înaintea procesării este foarte ridicată;

Umiditatea din mediul ambiant este ridicată (în special când se lucreazăcu matrițe și granule reci);

Semne ale striațiilor produse de aer:

Defectul devine mai mic odată cu reducerea decompresiei;

Defectul devine mai mic odată cu reducerea vitezei de înaintare a melcului;

Zonele cu aer prins în materialul injectat sunt vizibile;

la o injectare parțială materialul solidificat prezintă cratere în structură;

5.1.2.1 Striații produse de ardere

În cazul în care topitura a suferit distrugeri termice, cum ar fi expunerea la temperaturi ridicate și/sau durata de menținere lungă, apar elemente elemente gazoase, care sunt vizibile pe suprafața piesei sub formă de pete inchise la culoare sau argintii.

Striatiile arse sunt cauzate de deteriorarea termica a materialului topit. Rezultatul poate fi o scadere a lungimii lantului molecular (decolorari argintii) sau o schimbare a macro moleculelor (decolorari maronii).

Degradarea termica a materialului plastic are un impact negativ asupra proprietatilor mecanice, chiar daca defectul nu este vizibil la suprafata piesei.

Cauzele posibile pentru deteriorarea termica :

Temperatura prea inalta sau timp mare de staționare la uscarea materialului ;

Temperatura prea inalta a topiturii ;

Fortele de frecare din interiorul cilindrului sunt prea mari (ex. viteza mare a melcului) ;

Timpul de stationare in cilindru este prea mare ;

Fortele de frecare din interiorul matritei sunt prea mari (ex. viteza de injectie mare) .

5.1.2.2 Striații produse de umiditate

Striațiile produse de umiditate apar pe suprafața pieselor în formă de U, cu deschiderea în direcția curgerii. Suprafața din jurul striației argintii este de obicei aspră și poroasă.

Striațiile produse de umiditatea de pe suprafața matriței apar ca zone mari, mate si lamelare.

Striații datorate umezelii reziduale mari din granule.

Cauze fizice:

Pe durata depozitarii sau procesării, umezeala este absorbita de materialul granulat, formând vapori de apa in momentul topirii. Datorita profilului de viteza al frontului de curgere, bulele de vapori sunt împinse către suprafața topiturii. In momentul in care se va trece la compensarea presiunii, bulele de vapori explodează, sunt deformate de frontul de curgere in mișcare si se solidifica pe peretele piesei.

Posibile cauze ale striațiilor datorate umezelii:

Umezeala la suprafața matriței

Scurgere la sistemul de control al temperaturii matriței

Apa condensata pe pereții matriței

Umezeala in masa de granule

Uscare insuficienta a materialului

Depozitare incorecta a materialului.

5.1.2.3 Striații colorate

Striațiile colorate se datorează distribuției inegale sau a orientării diferite a pigmenților în topitura. Distrugerile termice și deformațiile puternice pot și ele să cauzeze schimbări ale culorii sau diferențe de culoare.

Orientarea pigmentului metalizat cauzată de direcția de curgere

In timpul colorării, aglomerarea pigmenților de colorant pot determina diferențe de coloristica. Acest tip de distribuție neuniforma poate fi cauzata de tipul plasticului, parametrii de proces, adezivi si alți aditivi. In cazul folosirii instalațiilor de colorare, defectul poate apare datorita dizolvării incomplete a granulelor de colorant in topitura. Similar produselor termoplaste pigmenții de culoare si coloranții sunt sensibili la temperaturi de procesare ridicate si timpi crescuți de menținere in cilindru.

Daca deteriorările termice sunt motivul acestor tipuri de striații, trebuie considerate ca fiind striații arse. Solicitările ridicate sau deformațiile pot cauza de asemenea diferențe de culoare. Zonele deformate reflecta lumina intr-un anumit fel, diferit de celelalte zone.

5.1.2.4 Striații produse de aer

În cele mai multe cazuri striațiile produse de aer apar ca pete mate, argintii sau albe și se pot găsi în apropierea arcelor, nervurilor sau unde există o variație a grosimii pereților. În vecinătatea orificiului de injecție, începând chiar de la intrare pot apare striații lamelare.

Striațiile de aer mai apar, de-asemenea, în apropierea literelor sau a concavităților.

Striații de aer (în vecinătatea orificiului de injecție) datorate pătrunderii aerului în timpul decompresiei

Aerul care nu poate fi evacuat in timpul umplerii matriței, este împins către marginea matriței, pe direcția de curgere a materialului. In mod curent poate fi întâlnit in preajma denivelărilor, nervurilor, zonelor sub forma de cupola si scobituri ale matriței, aerul circula in interiorul matriței si este capturat de către topitura.

Aceasta are ca rezultat formarea de bule de aer. Daca aerul este tras in interiorul topiturii in timpul decompresiei, striațiile datorate aerului apar in apropierea gatului de injecție. De aici aerul este transportat in cavitatea matriței, in timpul injecției, este împins către pereții matriței unde se solidifica materialul iar aerul rămâne prins in interiorul topiturii.

5.1.2.5 Striații datorita fibrei de sticla

Aceste suprafețe mate și rugoase pot apărea atunci când se folosește fibra de sticlă ca întăritor pentru materialul de bază. Fibra de sticlă apare la suprafață ca striație cu reflexii metalice.

Striație de fibră de sticlă (linia de îmbinare vizualizată clar)

Datorita lungimi sale, fibra de sticla se orientează in direcția de curgere in timpul injectării. Daca topitura se solidifica la contactul cu peretele matriței, fibra de sticla e posibil sa nu fie in totalitate acoperita de material. Pe lângă asta, suprafață poate fi aspra datorita diferențelor de factor de contracție (fibra de sticla : plastic -> 1 : 200). Fibra de sticla împiedica contracția plasticului, in special in direcție longitudinala pe fibra, ceea ce duce la o suprafață neregulata.

5.1.2.6 Strălucire/Diferențe de strălucire

Dacă strălucirea este una din cerințele piesei ce trebuie injectate, există două defecte ce o pot perturba. Ori piesa injectată este prea strălucitoare sau nu este îndeajuns de strălucitoare sau există diferențe de strălucire pe suprafața piesei injectate. Diferențele de strălucire pot apărea de-a lungul variațiilor de grosime a pereților, pe suprafața vizibilă a piesei injectate.

Diferențe de strălucire in vecinătatea liniilor de îmbinare

Strălucirea pieselor injectate este reprezentată de reflecția pe care o are suprafața piesei expusă la lumină. Dacă o rază de lumină cade pe o suprafață, direcția de propagare se poate schimba (reflexia luminii). În timp ce o parte a razei este reflectată de suprafață, o altă parte se va reflecta la interiorul piesei, dar cu o altă intensitate.

Strălucirea este cu atât mai puternică cu cât rugozitatea suprafeței este mai mica. Pentru a putea atinge aceasta, peretele matriței trebuie lustruit foarte bine, în timp ce un perete texturat nu este recomandat.

Diferențele de strălucire sunt cauzate de comportarea diferită a plasticului în momentul contactului cu peretele matriței datorită condițiilor diferite de răcire și diferențelor de contracție. Întinderea zonelor deja solidificate (cum ar fi rețeaua de turnare) poate fi un alt motiv pentru diferențele de strălucire.

5.1.2.7 Linia de separație

Linia de separație la o piesă din material plastic reprezintă, în majoritatea cazurilor, un punct slab din punct de vedere optic și mecanic. La nivelul acesteia poate apare o crestătură și/sau o schimbare de culoare.

Crestăturile, în special, sunt vizibile pe piesele opace sau transparente cu suprafețe fine și bine șlefuite. Schimbările de culoare sunt vizibile, în special, la piesele ce conțin pigmenți de culoare metalizată.

Diferențe de culoare la nivelul liniei de separație

Liniile de separație se creează la întâlnirea a două fronturi de material. La întâlnirea a două fronturi de curgere acestea se aplatizează și se leagă unul de altul. Acest proces necesită alungirea frontului deja vâscos de material.

Dacă temperatura și presiunea nu sunt ridicate destul, frontul de curgere nu se dezvoltă în totalitate și astfel se vor crea crestături vizibile. În continuare, frontul de curgere nemaiîntâlnind aceeași omogenitate poate produce mici adâncituri. Dacă componentele injecției conține aditivi (cum pot fi pigmenții), este posibilă orientarea acestor aditivi în apropierea liniei de separație. Acest fapt duce la modificarea coloristică a zonei din apropierea liniei de separație.

5.1.2.8 Jeturi de material

O linie șerpuită, rugoasă sau mată, vizibilă la suprafața piesei injectate. Jeturile de material cauzează diferențe de culoare și de strălucire. În unele cazuri are efecte similare cu cele ale amprentelor striate.

Jet de material pe mânerul unei șurubelnițe

Jeturile de material sunt cauzate de un front de topitură nedezvoltat în totalitate în interiorul cavității matriței. Un jet de topitură se dezvoltă de la orificiul de injecție și intră în cavitatea matriței imprimându-i-se o mișcare șerpuită. In acest timp mare parte a topiturii s-a răcit cu câteva grade, Încât nu mai poate fuziona în mod omogen cu ultimul strat de material topit.

Acest lucru se întâlnește, cel mai adesea, când se întrerupe creșterea secțiunii transversale a piesei injectate în concordanță cu viteze mari de injecție.

Jeturile de material pot fi influențate și de poziția matriței. Pentru a evita defectele, cavitatea matriței nu trebuie umplută de sus în jos.

5.1.2.9 Efectul/arsurile Diesel

Acesta este caracterizat de apariția unor puncte de culoare neagră (arsuri) vizibile la suprafața piesei injectate. De cele mai multe ori piesele injectate sunt incomplete în aceste zone.

Efect/arsura datorata răcirii insuficiente la nivelul unei muchii

Efectul Diesel se referă pur și simplu la problemele de ventilație. Poate apărea în apropierea găurilor, filetelor, către zona de capăt a unui front de curgere și în apropierea zonei unde se întâlnesc două sau mai multe fronturi de curgere. Acest lucru se întâmplă când aerul prins în interior nu poate ieși sau nu poate fi evacuat repede pe la îmbinări, canale de ventilație sau ajustajul aruncătorului.

Către sfârșitul procesului de injecție, aerul este comprimat, ceea ce duce la ridicarea temperaturii acestuia foarte mult. Rezultatul este că apar temperaturi ridicate care pot cauza semne de arsuri pe materialul plastic.

În timpul producerii acestor arsuri, pot fi evacuați produși periculoși care atacă în mod frecvent suprafața matriței, ceea ce duce la degradarea acesteia in timp.

5.1.2.10 Efectul de striații amprentate

In acest caz aceste striații foarte fine apar pe suprafața piesei injectate, care seamănă cu cele din figură. Apar cercuri concentrice în apropierea zonei din matrița unde se formează piesa, sunt paralele cu direcția de curgere a fluidului și/sau în spatele portiței de formare a piesei.

Striații amprentate concentrice

Cauze fizice:

Temperatura topiturii prea mică

Viteza de injecție prea mică => viteză mare de răcire

Temperatura peretelui matriței prea mică

Când se injectează material într-o matriță “rece”, se va forma un strat solidificat de material în spatele frontului de material datorită răcirii foarte mari a materialului. Răcirea stratului periferic cauzează de asemenea răcirea ariei frontului de material în apropierea pereților matriței.

Dacă viteza de răcire este foarte mare (în special în cazul vitezelor de injecție mici), aceste fronturi de material foarte vâscoase pot împiedica deplasarea directă a frontului de topitură către peretele matriței, în așa fel încât frontul de material topit nu va avea posibilitatea să ajungă la perete, dar va provoca o elongație a frontului deja solidificat. Datorită unei anumite presiuni, frontul de topitură va ajunge din nou în contact cu peretele matriței, dar partea deja solidificată nu va avea contact cu peretele matriței, de aici apărând defectul.

5.1.2.11 Striații albe si fisuri datorate solicitărilor

Striațiile datorită presiunii au drept cauză solicitările interne și externe (cum ar fi: elongația). Zonele expuse acestor solicitări capătă o culoare alba. Fisurile datorate solicitărilor sunt în imediata apropiere a crăpăturilor, în direcția demulării. Acestea apar de obicei după câteva zile sau chiar săptămâni de la data realizării piesei.

Fisuri pe piesa (defectul este vizibil după câteva săptămâni de la cumpărarea produsului)

Striațiile albe sau fisurile datorate solicitărilor, apar la depășirea valorii maxime admise a deformației (în cazul solicitărilor externe, a deformațiilor). Valoarea maximă a deformațiilor depinde de tipul materialului utilizat, de procesul de fabricație și de mediul de lucru al piesei injectate. Rezistența la solicitări externe sau interne poate fi drastic redusă prin alegerea optima a proceselor de timp și de temperatură. În cazul de fată, forțele de legătură dintre molecule sunt mici datorită proceselor de umezire, difuzie și mărire a acestora.

Acestea sunt cauze care favorizează fisurile datorate solicitărilor. Pe lângă solicitările interne produse de răcirea materialului și cele datorate frontului de curgere, solicitarea la întindere este un alt motiv al acestor tipuri de defecte. Solicitările externe ce pot cauza fisuri, sunt create de deschiderea matriței cu o anumită presiune, când piesa injectată trece rapid de la o presiune reziduală, ce există în interiorul matriței, la presiunea atmosferică. Motivele principale pentru demularea sub presiune reziduală pot fi: o matriță dimensionată greșit și/sau presiuni mari în cavitatea matriței.

Dacă sunt folosite substanțe agresive (cum ar fi soluțiile alcaline sau lubrifianții), striațiile albe sau fisurile, apar la o perioadă mare de timp de la injectare.

5.1.2.12 Bavuri

Bavurile apar adesea în apropierea îmbinărilor, fetelor de etanșare, canalelor de ventilație. Acestea arată ca un film subțire de material plastic. Micile bavuri, deseori, nu sunt vizibile imediat. Pe suprafețe mari, bavurile groase, uneori ies câțiva centimetrii în exteriorul profilului nominal

Bavura pe un buton rotativ

Posibilele cauze ale acestor defecte pot fi împărțite în patru mari grupe:

Allowed gap widths exceeded (strângerea matriței insuficientă, toleranța produsului prea

mare sau etanșarea matriței distrusă)

Forța de strângere a mașinii insuficientă sau este setată prea jos (forța la deschiderea matriței mai mare decât forța de strângere, matrița nu poate fi menținută închisă, forța de strângere a deformat platanele și matrița)

Presiunea la interiorul matriței este prea mare (presiunea în zona golurilor matriței este atât de mare încât topitura intră în toate golurile găsite)

Vâscozitatea materialului este prea mare (presiunea mare la interiorul matriței și rezistența mică la înaintare a frontului de material, favorizează formarea bavurilor.

5.1.2.13 Urme vizibile ale aruncătorului

Urmele lăsate de aruncător sunt de regulă depresiuni sau ridicături și se găsesc în zona unde a acționat ejectorul. Diferențele de grosimi de pereți pot cauza diferențe de strălucire ale suprafețelor și depresiuni pe suprafața vizibilă a piesei injectate.

Diferențe de culoare in apropierea aruncătorului

Posibilele cauze se împart în patru grupe principale:

Cauze referitoare la proces (demulare prea rapidă sau forțe mari de demulare combinate cu setări eronate ale mașinii)

Cauze geometrice (montare greșită sau lungime prea mare a aruncătorului)

Cauze referitoare la mecanică și rezistență (deficiențe ale dimensiunilor și a designului matriței, piesei injectate, sau a sistemului de aruncare)

Cauze termice (diferențe mari de temperatură dintre aruncător și peretele matriței)

5.1.2.14 Deformația din timpul demulării

În funcție de gradul defectului aceasta se clasifică în: marcaj de extragere, crăpături, fisuri, suprafețe supratensionate și urme adânci de aruncător. Aceste tipuri de erori sunt critice mai ales în cazul pieselor cu degajări interioare, care sunt demulate fără piesele mobile (cum sunt glisierele).

Deformație apăruta datorita forțării demulării unei piese cu conicitate inversa

Cauzele deformărilor pot fi clasificate după cum urmează:

Forțele necesare pentru demulare nu pot fi aplicate piesei injectate fără a provoca distrugeri acesteia

Mișcarea de demulare este perturbată

Cantitatea de forță de demulare este un criteriu principal și ar trebui să fie păstrată cât mai mică. Pe lângă alți factori, contracția piesei injectate are un impact direct asupra piesei injectate. Contracția si forța de demulare pot fi influențate considerabil prin varierea parametrilor de proces. Se consideră că totuși geometria piesei injectate este în continuare un puternic factor de influenta.

În general o contracție scăzută este de dorit în cazul pieselor cilindrice și celor în formă de cutie, pentru că aceste piese au tendința de a se contracta către interior (=> se creste presiunea de menținere sau se reduce timpul de răcire). În apropierea nervurilor, contracția este mai mică sub forța de demulare pentru că nervurile sunt zone separate de peretele matriței (=> se micșorează presiunea de menținere sau se creste timpul de răcire).

5.1.2.15 Aer prins in interiorul piesei

Scobiturile din interiorul piesei injectate pot fi datorită aerului prins în interiorul materialului. În contrast cu defectele cauzate de vacuum acumulat in interiorul piesei, aceste tipuri de defecte apar în apropierea pereților.

Bule de aer (topitura s-a solidificat in jurul miezului)

În timpul injecției, aerul este prins în interiorul topiturii și apare sub formă de cavitate (bulă de aer) în interiorul piesei injectate.

În principal sunt doi factori responsabili de acest defect:

Decompresie prea mare sau prea rapidă

Performanta plastifierii prea mică

Sunt două tipuri de cavități, aer prins in interior sau zonă vidată. Zonele vidate sunt cavități fără aer în interior, formate de contracția materialului (vezi urmele de tasare a materialului). Distincția între cele doua este dificilă deoarece au simptome asemănătoare.

Când se deschide o zonă vidată în interiorul unui fluid, nu se degajă bule de aer – modificând presiunea de menținere sau timpul de menținere a presiunii nu apare nici un efect asupra zonelor vidate.

Piesele injectate care prezintă zone de vid, au de obicei, o rezistență mai mică decât cele la care nu apare acest defect. Piesele mate trebuie testate prin distrugerea lor pentru a putea fi observat daca acest defect si-a făcut apariția.