Усадка простыми словами. Механизм

Усадка — это уменьшение размеров детали после извлечения из формы. Причины две: тепловое сжатие при остывании и кристаллизация.

Что такое тепловое сжатие?

Полимер — это длинные цепочки молекул (макромолекулы). В расплаве они находятся в постоянном тепловом движении: колеблются, изгибаются, меняют положение. Чем выше температура, тем интенсивнее это движение и тем больше среднее расстояние между цепочками — материал занимает больший объём.

Когда расплав остывает, тепловая энергия движения снижается. Цепочки колеблются слабее, промежутки между ними (свободный объём) сокращаются, и материал занимает меньший объём. Это и есть тепловое сжатие — оно происходит у любого полимера независимо от его структуры, просто потому что при снижении температуры уменьшается подвижность молекул и свободное пространство между ними.

Что такое кристаллизация?

В расплаве макромолекулы расположены хаотично — они перепутаны, как длинные нити в клубке. Когда полимер остывает, часть цепочек начинает укладываться параллельно друг другу, образуя упорядоченные участки — кристаллиты. Внутри кристаллита молекулы упакованы плотно, как волокна в канате, тогда как в неупорядоченной (аморфной) зоне между ними остаётся больше свободного пространства.

Поскольку в кристаллитах молекулы лежат плотнее, чем в хаотичном состоянии, суммарный объём материала уменьшается. Это дополнительная усадка кристалличных полимеров (ПП, ПЭ, ПА) — помимо теплового сжатия, которое есть и у аморфных (АБС, ПК), которые не образуют кристаллиты. Чем выше степень кристалличности (доля таких упорядоченных областей), тем больше вклад кристаллизации в общую усадку. Поэтому у ПП, ПЭ и ПА усадка выше, чем у аморфных пластиков вроде АБС или ПК, где молекулы при остывании не укладываются в кристаллиты.

Усадка в ТЭП

У термопластичных эластомеров (компаундов ТЭП) к тепловому сжатию и кристаллизации матрицы добавляется третий механизм.

Жесткие полистирольные блоки образуют узлы, а мягкая эластомерная фаза между ними при впрыске под давлением сжимается, накапливая энергию. В некотором смысле это похоже на сжатую пружинку. После извлечения из формы давление снимается, и эта фаза стремится распрямиться обратно, немного компенсируя усадку.

При этом итоговая усадка сильно зависит от рецептуры. Введение наполнителей (мела, талька) повышает плотность компаунда и стабилизирует объем, заметно снижая усадку. Усадка при литье ТЭП рассчитывается с учетом твердости, плотности и направления потока расплава.

Подобрать материал