Mold deposition during the injection molding of polyphenylene sulfide
Koskinen, Katri (2023)
Koskinen, Katri
2023
Materiaalitekniikan DI-ohjelma - Master's Programme in Materials Engineering
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. Only for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-03-02
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202302082192
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202302082192
Tiivistelmä
Injection molding is one of the most common methods for melt processing plastics into complex shapes. When polymeric materials are injection molded, they leave some residue in the mold. Some polymers have more tendency for deposit formation. Typically, this has an effect only on the visual appearance, but there have been noted that deposition also causes some issues with the material flow and the performance of the final product. Typical problems include unfilled parts and contaminations in final products that have led to improper mechanical properties.
There are some solutions to reduce mold deposition. One of the main topics is proper gas venting. Besides the venting, processing parameters are one main factor in deposit formation. The aim of this study is to determine how processing parameters affect the formation of mold deposit during the injection molding of polyphenylene sulfide (PPS). To evaluate the effect of the parameters, the fractional factorial design of experiment was performed by JMP statistical software. Besides the effect of processing parameters, this study gives information about mold cleaning options and tool maintenance topics.
The study was very informative about mold deposition. The effect of the parameters on mold deposition was quite expected. There was followed the effect of injection velocity, plastication speed, and melt temperature. Statistical analysis revealed that the only statistically significant parameter is melt temperature. Injection velocity and plastication speed do not seem to influence mold deposition. Most deposited areas are the end-fill areas of the mold and the are-as in which the temperature increases the most. Deposition of end-fill areas indicates improper gas venting and trapped combustion fumes. The importance of gas venting cannot be over-emphasized.
Because the aim was to reduce the formation of mold deposit, one interesting topic was the compound analysis of the mold deposit. Compounds of the deposit were analyzed by the Ra-man spectrometer. The deposit seems to consist mainly of plastic residue and the coloring additive. Between the mold deposit test runs was performed many cleaning experiments. PPS has excellent chemical resistance; it was challenging to find an effective cleaning chemical. Still, the most effective cleaning method is chemical cleaning. With lower melt temperatures, dry ice blasting seems to be an effective cleaning method for regular cleaning. Lähes kaikki muovimateriaalit jättävät ajan kuluessa jäämiä tai sakkaa ruiskuvalumuotteihin. Useimmiten tämä on kontrolloitavissa säännöllisellä muottihuollolla, eikä siitä koidu ongelmia. Kuitenkin osalla materiaaleista likaantuminen on hyvin voimakasta, ja aiheuttaa haasteita ruiskuvaluprosessissa. Tyypillisimpiä ongelmia ovat vajaatäyttöiset kappaleet, sekä kontaminaatiot, jotka saattavat aiheuttaa mekaanisten ominaisuuksien heikkenemistä. Tämä opinnäytetyö käsittelee ruiskuvaluprosessia, etenkin polyfenyleenisulfidin (PPS) ruiskuvalua, sekä sen aiheuttamaa muotin likaantumista.
Muotin likaantumiseen voidaan vaikuttaa muun muassa muottisuunnittelulla ja etenkin oikeanlaisella ilmauksella. Riittävä ilmaus edesauttaa kaasujen poistumista muottipesästä. Ilmauksen lisäksi likaantumiseen voidaan vaikuttaa joissain määrin myös prosessiparametreillä. Muotin likaantumisen tutkimiseksi toteutettiin koeajosuunnitelma JMP statistical software –ohjelmaa apuna käyttäen. Perusrungoksi valittiin kirjallisuuden perusteella kolme parametria, joiden oletettiin vaikuttavan likaantumiseen: sulalämpö, ruiskutusnopeus, sekä annostelunopeus. Koeajojen tuloksia analysoitiin niin visuaalisesti, kuin tilastollisesti. Analyysin perusteella voidaan todeta, että ainut tilastollisesti merkittävä parametri näistä kolmesta on sulalämpö. Korkeammalla sulalämmöllä muotti näyttäisi likaantuvan enemmän verrattuna mataliin sulalämpöihin.
Työstä saatiin tärkeää tietoa prosessiparametreistä, sekä niiden vaikutuksesta, tulokset olivat hyvin odotusten mukaisia. Parametrihavaintojen lisäksi tutkimus antoi merkittävää tietoa muottiteknisistä asioista, kuten ilmanpoistosta ja muottien huollosta. Muotin likaantumisen ja PPS-materiaalin yhteydessä ei voi tarpeeksi painottaa muotin riittävän ilmauksen tärkeyttä. Parametrianalyysin lisäksi muottiin muodostunutta sakkaa analysointiin Raman -spektrometrin avulla. Tällä analyysimenetelmällä sakasta löydettiin vain itse polymeeriä tai sen jäämiä, sekä väriaineena käytettyä hiilimustaa.
Muotin likaantuessa myös muotin puhdistus nousi tärkeäksi osaksi työtä. Polyfenyleenisulfidin erinomaisen kemikaalien kestävyyden vuoksi puhdistuskemikaalien löytäminen osoittautui melko hankalaksi. Siltikin lopulta tehokkaimmaksi puhdistusmenetelmäksi valikoitui kuitenkin kemiallinen puhdistus. Säännölliseen muotin puhdistukseen myös kuivajääpuhallus vaikuttaisi erittäin toimivalta vaihtoehdolta.
There are some solutions to reduce mold deposition. One of the main topics is proper gas venting. Besides the venting, processing parameters are one main factor in deposit formation. The aim of this study is to determine how processing parameters affect the formation of mold deposit during the injection molding of polyphenylene sulfide (PPS). To evaluate the effect of the parameters, the fractional factorial design of experiment was performed by JMP statistical software. Besides the effect of processing parameters, this study gives information about mold cleaning options and tool maintenance topics.
The study was very informative about mold deposition. The effect of the parameters on mold deposition was quite expected. There was followed the effect of injection velocity, plastication speed, and melt temperature. Statistical analysis revealed that the only statistically significant parameter is melt temperature. Injection velocity and plastication speed do not seem to influence mold deposition. Most deposited areas are the end-fill areas of the mold and the are-as in which the temperature increases the most. Deposition of end-fill areas indicates improper gas venting and trapped combustion fumes. The importance of gas venting cannot be over-emphasized.
Because the aim was to reduce the formation of mold deposit, one interesting topic was the compound analysis of the mold deposit. Compounds of the deposit were analyzed by the Ra-man spectrometer. The deposit seems to consist mainly of plastic residue and the coloring additive. Between the mold deposit test runs was performed many cleaning experiments. PPS has excellent chemical resistance; it was challenging to find an effective cleaning chemical. Still, the most effective cleaning method is chemical cleaning. With lower melt temperatures, dry ice blasting seems to be an effective cleaning method for regular cleaning.
Muotin likaantumiseen voidaan vaikuttaa muun muassa muottisuunnittelulla ja etenkin oikeanlaisella ilmauksella. Riittävä ilmaus edesauttaa kaasujen poistumista muottipesästä. Ilmauksen lisäksi likaantumiseen voidaan vaikuttaa joissain määrin myös prosessiparametreillä. Muotin likaantumisen tutkimiseksi toteutettiin koeajosuunnitelma JMP statistical software –ohjelmaa apuna käyttäen. Perusrungoksi valittiin kirjallisuuden perusteella kolme parametria, joiden oletettiin vaikuttavan likaantumiseen: sulalämpö, ruiskutusnopeus, sekä annostelunopeus. Koeajojen tuloksia analysoitiin niin visuaalisesti, kuin tilastollisesti. Analyysin perusteella voidaan todeta, että ainut tilastollisesti merkittävä parametri näistä kolmesta on sulalämpö. Korkeammalla sulalämmöllä muotti näyttäisi likaantuvan enemmän verrattuna mataliin sulalämpöihin.
Työstä saatiin tärkeää tietoa prosessiparametreistä, sekä niiden vaikutuksesta, tulokset olivat hyvin odotusten mukaisia. Parametrihavaintojen lisäksi tutkimus antoi merkittävää tietoa muottiteknisistä asioista, kuten ilmanpoistosta ja muottien huollosta. Muotin likaantumisen ja PPS-materiaalin yhteydessä ei voi tarpeeksi painottaa muotin riittävän ilmauksen tärkeyttä. Parametrianalyysin lisäksi muottiin muodostunutta sakkaa analysointiin Raman -spektrometrin avulla. Tällä analyysimenetelmällä sakasta löydettiin vain itse polymeeriä tai sen jäämiä, sekä väriaineena käytettyä hiilimustaa.
Muotin likaantuessa myös muotin puhdistus nousi tärkeäksi osaksi työtä. Polyfenyleenisulfidin erinomaisen kemikaalien kestävyyden vuoksi puhdistuskemikaalien löytäminen osoittautui melko hankalaksi. Siltikin lopulta tehokkaimmaksi puhdistusmenetelmäksi valikoitui kuitenkin kemiallinen puhdistus. Säännölliseen muotin puhdistukseen myös kuivajääpuhallus vaikuttaisi erittäin toimivalta vaihtoehdolta.