Tworzywa sztuczne częściowo krystaliczne i amorficzne
Częściowo krystaliczne tworzywa sztuczne przechodzą ze stanu stopionego w stan stały w ściśle określonym zakresie temperatur. Dlatego też ich okno przetwórstwa jest mniejsze od okna przetwórstwa amorficznych tworzyw sztucznych. Ponadto tworzywa częściowo krystaliczne mają większy skurcz przetwórczy. Cechy te należy uwzględniać zarówno przy przetwórstwie, jak i przy konstruowaniu form.
Budowa i kształt łańcuchowych cząsteczek tworzyw częściowo krystalicznych wywiera duży wpływ na ich strukturę w stanie stałym. Jeśli makrocząsteczki mają duże grupy boczne, wiele rozgałęzień lub nieregularną budowę, to podczas ochładzania stopu zachowana zostaje nieuporządkowana, bezładna struktura stopu – są to tworzywa amorficzne. Przykładem takich tworzyw są kopolimery akrylonitrylo-butadieno-styrenowe, polistyren i poliweglan. Tworzywa amorficzne są przezroczyste (bez napełniaczy) i stosunkowo kruche.
Przy chłodzeniu bezpostaciowego stopu w tworzywach złożonych z gładkich makrocząsteczek o regularnej budowie powstają – w stosunkowo wąskim zakresie temperatur – obszary krystaliczne. W obszarach tych większość cząsteczek łańcuchowych umieszczona jest równolegle. Podczas procesu krystalizacji zapętlenia i inne struktury zaburzone spychane są na brzeg poszczególnych krystalitów.
Wskutek tego tworzą się pomiędzy krystalitami nieuporządkowane obszary amorficzne. Tworzywa o takiej budowie zwane są częściowo krystalicznymi; należą do nich poliacetale, poliamidy i termoplastyczne poliestry (PET, PBT).
Różnice struktury wywierają istotny wpływ na własności tworzyw sztucznych. Tworzywa częściowo krystaliczne są na ogół nieprzezroczyste lub – przy niewielkiej grubości warstwy – mętne (prześwitujące), a ponadto bardziej wytrzymałe, twardsze i bardziej sprężyste od tworzyw amorficznych.
Charakteryzują się większą wytrzymałością termiczną oraz większą odpornością na działanie olejów, tłuszczów i chemikaliów, a tym samym są mniej podatne na korozje naprężeniową. Duże krytyczne wydłużenie względne umożliwia wykorzystywanie tych tworzyw do produkcji połączeń zatrzaskowych oraz ułatwia wymuszone uwalnianie podcięć. Stopień krystaliczności tworzyw częściowo krystalicznych mieści się najczęściej w zakresie od 30 do 60 proc. Ze wzrostem stopnia krystaliczności danego typu tworzywa: zwiększa się wytrzymałość na rozciąganie i sztywność (moduł sprężystości), zwiększa się odporność na działanie rozpuszczalników (maleje pęcznienie); zwiększa się nieprzepuszczalność gazów i par; zmniejsza się udarność, wydłużenie przy zerwaniu i przezroczystość; rośnie skłonność do paczenia się.
Po osiągnięciu zakresu temperatur topnienia krystalitów przy ogrzewaniu lub chłodzeniu częściowo krystalicznych tworzyw sztucznych zachodzi przemiana fazowa, która nie występuje w przypadku tworzyw amorficznych. Z przemianą fazową związane jest dodatkowe zapotrzebowanie ciepła przy stapianiu lub konieczność odprowadzenia dodatkowej ilości ciepła przy krzepnięciu.
Ponadto przy przemianie fazowej zmienia się gęstość. Dzieje się tak, gdyż w obszarach krystalicznych makrocząsteczki są ściślej upakowane i dlatego w tych obszarach gęstość jest większa niż w obszarach amorficznych. Wskutek zmniejszania się objętości przy krystalizowaniu tworzywa częściowo krystaliczne mają stosunkowo duży skurcz przetwórczy od 1,5 do 2,5 proc. (tworzywa amorficzne: 0,4 do 0,8 proc.). Do tego dochodzi jeszcze skurcz wtórny (prawie 1 proc.), który w tworzywach amorficznych praktycznie nie istnieje.
Wszystkie te aspekty należy uwzględniać zarówno przy konstruowaniu form, jak i przy przetwórstwie. Formy wtryskowe do tworzyw częściowo krystalicznych wymagają intensywnego chłodzenia, gdyż tylko wtedy możliwe jest szybkie odprowadzanie ciepła, a tym samym osiągniecie krótkiego czasu cyklu.
Regulacja temperatury musi być bardzo dokładna, aby stopień krystalizacji był jednolity w całej wyprasce, co oznacza równocześnie niewielką skłonność do paczenia się. Ponadto z uwagi na duży skurcz przetwórczy należy przyjmować odpowiedni naddatek wymiarowy. Ze względu na różne charakterystyki skurczu tworzyw częściowo krystalicznych i amorficznych należy zachować szczególną ostrożność wtedy gdy w formie wtryskowej zaprojektowanej dla tworzyw częściowo krystalicznych mają być przetwarzane tworzywa amorficzne lub odwrotnie; w każdym wypadku można spodziewać się problemów związanych z dokładnością wymiarowa wyprasek.
Przy wtryskiwaniu tworzyw częściowo krystalicznych niewielka różnica pomiędzy temperaturą stopu a temperaturą krzepnięcia powoduje, że okno przetwórstwa jest stosunkowo wąskie. Dlatego też do dokładnego utrzymywania zadanych temperatur stopu w cylindrze uplastyczniającym i w systemie gorących kanałów oraz zadanej temperatury formy niezbędne są szybko reagujące, precyzyjne układy regulacji temperatury. W związku ze zmniejszaniem się objętości przy krystalizacji faza docisku wywiera duży wpływ na jakość wyprasek; dlatego też należy bezwzględnie przestrzegać zalecanych przez producenta tworzywa parametrów docisku (wysokość ciśnienia docisku i czas trwania docisku). Skrócenie czasu cyklu możliwe jest dzięki temu, że tuż poniżej temperatury krzepnięcia wypraski są już tak stabilne, iż mogą być wyrzucane lub wyjmowane z formy, jeśli tylko nie jest konieczne przedłużenie czasu chłodzenia w celu wyeliminowania wypaczeń.
Wykorzystano m.in. materiały firmy DuPont