Сварка полимерных пленок : Параметры режима термоимпульсной сварки

Современные методы формирования изделий из пластмасс – литье под давлением, экструзия, вакуумформование и др. позволяют получать как готовые изделия, так и полуфабрикаты, которые затем различными способами перерабатываются в изделия. Около 40-50% выпускаемых изделий изготавливаются в виде сборных конструкций, получаемых различными способами соединения узлов и деталей: механические, склеивание, сварка и т.д.

В настоящее время сварка является основным способом получения неразъемных соединений. Сварка – процесс образования неразъемного соединения, основанный на взаимной диффузии (диффузионная сварка) или химическом взаимодействии (химическая сварка) макромолекул полимеров, в результате которых исчезает граница раздела между соединяемыми поверхностями и образуется структурный переход от одного полимера к другому. Сварка незаменима при производстве упаковки в любой отрасли, особенно в пищевой, широко применяется в строительстве, сельском хозяйстве и др. Для полимерных материалов характерны низкая теплопроводность и высокая теплоемкость. Поэтому сварка происходит только в интервале температур, при которых полимер находится в вязкотекучем состоянии.

Качество соединений, полученных сваркой, зависит от условий проведения процесса, строения полимерной фазы и совместимости полимеров. Из множества методов сварки полимерных материалов в упаковочном производстве наиболее широкое применение нашли следующие: контактно-тепловая, термоимпульсная, ультразвуковая, высокочастотная, реже сварка нагретым газом. Контактно-тепловая сварка является наиболее простым и экономичным методом, характеризующим достаточно высокие прочностные характеристики соединения. Из термоконтактных методов наибольшее распространение получили сварка постоянно нагретым электродом и термоимпульсная сварка. В первом случае в качестве нагревателя служит электрод, выполненный из теплопроводного материала. Внутри электрода расположена электрическая спираль. Время сварки постоянно нагретым электродом соответствует времени его контакта со свариваемыми материалами. Давление при сварке осуществляется за счет прижатия электрода.

Термоимпульсная сварка осуществляется электродом, обладающим высоким омическим сопротивлением, например, нихромовой лентой или проволокой, которая разогревается подаваемым на нее импульсом тока за доли секунды, отдавая тепло свариваемым пленкам. Лента или проволока закреплена в прижимном устройстве, обеспечивающим при сварке необходимое давление на соединяемые материалы. При этом давление на свариваемые пленки при термоимпульсной сварке можно поддерживать и в процессе охлаждения сварного шва. Этот метод широко применяется при сварке полиолефинов, многослойных пленок, комбинированных материалов на основе полимеров.

Ультразвуковая сварка основана на превращении в тепло вводимой в материал энергии колебаний ультразвуковой частоты. Возможность применения этого метода связана с модулем упругости материала, характеризующим способность передачи энергии упругих колебаний. Этим методом хорошо свариваются пленки из полиэтилентерефталата, полиамида, поликарбоната, полистирола. Высокочастотная сварка осуществляется за счет тепла, выделяемого в полярном материале при помещении его в переменное электромагнитное поле токов высокой частоты. Критерием применимости высокочастотной сварки для пленок служит величина тангенса угла диэлектрических потерь полимера tq 8. Выделение необходимого для сварки количества тепла возможно при величине tg 8 > 0,01. К таким материалам относятся поливинилхлорид и полиамид. К числу наиболее применяемых в упаковочной отрасли и хорошо свариваемых плавлением полимерным материалам относятся полиолефины – ПЭВД, ПЭНД, ПП. Полиолефины характеризуются низкой энергией активации вязкого течения (46-53 кДж/моль), имеют сравнительно низкую температуру текучести (120-169 °С), широкий температурный интервал вязко-текучего состояния (свыше 50 °С), сравнительно низкую вязкость расплава и поэтому относится к хорошо свариваемым полимерам.

Существенное различие между температурой текучести и температурой деструкции у полиолефинов позволяет широко варьировать режимы сварки. Полиолефины хорошо свариваются термоконтактной сваркой, при этом нагреватели могут контактировать как с внутренними (свариваемыми) поверхностями (сварка оплавлением), так и с наружными (сварка проплавлением). Полиолефиновые пленки толщиной до 150 мкм рекомендуется сваривать по схеме с односторонним подводом тепловой энергии, а пленки толщиной свыше 150 мкм – с двусторонним подводом тепловой энергии, при этом для пленок толщиной до 150 мкм рекомендуемая ширина шва находится в пределах 2-5 мм, а для пленок свыше 150 мкм – в пределах 4-6 мм. Для соединения полиолефиновых пленок толщиной 20-250 мкм применяется в основном термоимпульсная сварка, так как они имеют широкий температурный интервал между переходом в вязкотекучее состояние и деструкцией. В зависимости от толщины свариваемых пленок (25-100 мкм) при двустороннем нагреве оптимальные режимы термоимпульсной сварки находятся в следующих пределах (см. таблицу 1).

Таблица 1. Параметры режима термоимпульсной сварки пленок при двухстороннем нагреве и давлении 0,2 Мпа, продолжительности охлаждения 3 секунды, мощности импульса 1,2 кВт

Термоимпульсную сварку можно совмещать с резкой или отделением припуска материала путем проплавления пакета пленок по всей толщине проволочным нагревателем. При этом одновременно получают два изделия с рантовыми (торцевыми) швами.

Таблица 2. Технологические параметры сварки пленок термоконтактным методом при одностороннем нагреве