Własności płynięcia tworzywa

Własności fizyczne stopionego polimeru określają sposób jego przetwórstwa. Warto się przyjrzeć tym parametrom w oparciu o analizę sporządzoną przez ekspertów firmy DuPont.

Własnościami stopionego polimeru są takie zmienne jak m.in. ogólna struktura molekularna zasadniczo semikrystaliczna i dla różnych gatunków zależna od temperatury i ciśnienia, wartość energetyczna (ciepło właściwe i ciepło topnienia), sposób zachowania płynnego tworzywa i w szczególności jego lepkość będąca najważniejszym parametrem reologicznym, szybkość krystalizacji tworzywa oraz wreszcie stabilność termiczna tworzywa w szczególności w wysokiej temperaturze i w obecności wody.

Większość poliamidów posiada strukturę częściowo krystaliczną. Oznacza to, że pewna część polimeru przechodzi w stan stały tworząc pewną uporządkowaną i regularną strukturę krystaliczną. Pozostała część krzepnie w postaci amorficznej, nie wykazującej żadnych regularności.

Podczas krystalizacji, molekuły układają się w płytki, które zazwyczaj zazębiają się o siebie. Jeżeli powstałe płytki zorientowane są w tym samym kierunku co często ma miejsce na powierzchni detali, to materiał w tym miejscu jest przezroczysty. Fundamentalna różnica struktury pomiędzy polimerami semikrystalicznymi a amorficznymi jest przyczyną zarówno różnić pomiędzy ich własnościami jak i różnych warunków przetwarzania.

Najważniejsze cechy odróżniające polimery krystaliczne od amorficznych to duże zmiany objętości w funkcji temperatury, podczas przechodzenia ze stanu stałego w ciekły i odwrotnie oraz fakt, że do stopienia polimeru krystalicznego wymagana jest większa ilość ciepła. Wymienione dwa zjawiska sprawiają, że w przeciwieństwie do tworzyw amorficznych, nie zachodzi niebezpieczeństwo nadmiernego upakowania tworzywa w formie nawet, jeżeli stosowane są bardzo wysokie ciśnienia wtrysku i docisku.

Z kolei do opisu zmian objętościowych zazwyczaj stosuje się objętość właściwą, będącą odwrotnością masy właściwej. Objętość właściwa materiałów semikrystalicznych jest funkcją temperatur, ciśnienia oraz, w stanie stałym, stopnia skrystalizowania.

W stanie ciekłym, objętość właściwa jest większa niż w stanie stałym. Podczas przetwarzania stopione tworzywo utrzymywane jest pod ciśnieniem w granicach 70 MPa, co oznacza, że zmiany objętości podczas krystalizacji są mniejsze niż pod ciśnieniem zerowym. Bezpośrednim efektem krystalizacji jest skurcz detalu. Ze względu na to, że wskazane jest zminimalizowanie skurczu, tworzywo stopione powinno być utrzymywane pod ciśnieniem aż do momentu pełnej krystalizacji.

Stopień krystalizacji tworzyw poliamidowych w stanie stałym mieści się w granicach 40 – 60 proc. Stopień skrystalizowania ma znaczący wpływ na własności wyrobu, w tym na własności mechaniczne, absorpcję wilgoci i odporność chemiczną. Największym stopniem skrystalizowania w całej rodzinie poliamidów charakteryzuje się Poliamid 66 .

Energia niezbędna do podniesienia temperatury polimeru jest zwykle zależna od jego ciepła właściwego, definiowanego jako ilość ciepła potrzebna do podniesienia temperatury masy jednostkowej materii o 1 st. C.

W przypadku tworzyw o strukturze krystalicznej wymagane jest doprowadzenie dodatkowego ciepła w celu przeprowadzenia tworzywa ze stanu stałego w ciekły. Energia ta jest odzwierciedlona jako pik krzywej ciepła właściwego. Tworzywa krystaliczne wymagają doprowadzenia większej ilości ciepła niż tworzywa amorficzne, zaś poliamidowe tworzywa niewzmocnione wymagają dwukrotnie większej całkowitej ilości ciepła na przykład w porównaniu z polistyrenem.

Lepkość tworzywa stopionego w znacznym stopniu wpływa na ciśnienie napełniania formy – duża lepkość oznacza małą płynność i wyższe ciśnienia wtrysku. Lepkość ciekłego tworzywa jest przede wszystkim funkcją masy cząsteczkowej. Na lepkość ciekłych poliamidów wpływa w szczególności temperatura stopionej masy, prędkość ścinania oraz zawartość wilgoci w tworzywie.

Ogólna zasada mówiąca, że lepkość cieczy spada wraz ze wzrostem temperatury, jest prawdziwa także w przypadku tworzyw sztucznych. Z tego powodu konieczne jest wskazanie temperatury przy podawaniu konkretnych wartości lepkości stopionego tworzywa. Lepkość niewzmocnionego tworzywa jest mniej wrażliwa na zmiany temperatury niż gatunków wzmocnionych lub modyfikowanych udarnościowo (superwytrzymałych).

Prędkość ścinania jest parametrem określającym prędkość deformacji strumienia materiału. Zależna jest od prędkości płynięcia strumienia oraz od przepływu tworzywa na drodze ślimak – forma.

Lepkość znacznie spada wraz ze wzrostem prędkości ścinania. Z tego powodu poprzez zwiększenie szybkości wtrysku zmniejszyć można lepkość tworzywa, a przez to poprawić napełnienie form sprawiających trudności. Poszczególne gatunki tworzyw poliamidowych znacznie się między sobą różnią pod względem lepkości.

Płynność stopionego tworzywa jest aspektem decydującym o wydajności formowania. W celu uzyskania możliwości porównania płynności różnych tworzyw ogólnie przyjęto jedną metodę pomiaru tego parametru, zwaną metodą przepływu spiralnego lub wężowego. Polega ona na pomiarze odległości, na jaką wypłynął dany materiał pod danym ciśnieniem, w kanale o określonym przekroju (okrągłym lub prostokątnym), w temperaturze formowania wtryskowego. W celu wyciągnięcia prawidłowych wniosków z badania konieczne jest tu uwzględnienie wilgotności tworzywa. W przypadku tworzyw poliamidowych zwiększeniu stopnia modyfikacji tworzywa odpowiada zmniejszenie długości drogi płynięcia.