Svařování polymerních fólií: Parametry režimu tepelného pulzního svařování

Moderní způsoby tvarování plastových výrobků – vstřikování, vytlačování, vakuové tvarování atd. umožňují získávat jak hotové výrobky, tak polotovary, které se následně různými způsoby zpracovávají na výrobky. Asi 40-50% vyráběných produktů je vyráběno ve formě prefabrikovaných konstrukcí, získaných různými způsoby spojování jednotek a dílů: mechanické, lepení, svařování atd.

V současné době je svařování hlavní metodou výroby nerozebíratelných spojů. Svařování je proces vytváření nerozebíratelného spoje na základě vzájemné difúze (difúzní svařování) nebo chemické interakce (chemické svařování) makromolekul polymeru, v důsledku čehož mizí rozhraní mezi spojovanými povrchy a z jednoho polymeru vzniká strukturální přechod. k jinému. Svařování je nepostradatelné při výrobě obalů v každém odvětví, zejména v potravinářském průmyslu, má široké uplatnění ve stavebnictví, zemědělství atd. Polymerní materiály se vyznačují nízkou tepelnou vodivostí a vysokou tepelnou kapacitou. Ke svařování tedy dochází pouze v teplotním rozsahu, při kterém je polymer ve stavu viskózního toku.

Kvalita spojů získaných svařováním závisí na podmínkách procesu, struktuře polymerní fáze a kompatibilitě polymerů. Z mnoha metod svařování polymerních materiálů při výrobě obalů jsou nejrozšířenější tyto: kontaktní tepelné, tepelné pulzní, ultrazvukové, vysokofrekvenční a méně často svařování zahřátým plynem. Kontaktní tepelné svařování je nejjednodušší a nejekonomičtější metoda, která se vyznačuje poměrně vysokými pevnostními charakteristikami spoje. Z metod tepelného kontaktu jsou nejpoužívanější svařování stále zahřívanou elektrodou a tepelné pulzní svařování. V prvním případě slouží jako ohřívač elektroda z tepelně vodivého materiálu. Uvnitř elektrody je umístěna elektrická cívka. Doba svařování trvale zahřívanou elektrodou odpovídá době jejího kontaktu se svařovanými materiály. Tlak při svařování se provádí stisknutím elektrody.

Tepelné pulzní svařování se provádí elektrodou s vysokým ohmickým odporem, například nichromovým páskem nebo drátem, který se zahřeje proudovým pulzem aplikovaným na něj ve zlomku sekundy a odevzdá teplo svařovaným fóliím. Páska nebo drát je upevněn v upínacím zařízení, které zajišťuje potřebný tlak na spojované materiály při svařování. V tomto případě může být tlak na svařované fólie během tepelného pulzního svařování udržován během procesu ochlazování svaru. Tato metoda je široce používána při svařování polyolefinů, vícevrstvých fólií a kombinovaných materiálů na bázi polymerů.

Ultrazvukové svařování je založeno na přeměně ultrazvukové frekvenční vibrační energie vnesené do materiálu na teplo. Možnost použití této metody je spojena s modulem pružnosti materiálu, který charakterizuje schopnost přenosu energie pružných vibrací. Tato metoda dobře svařuje fólie z polyethylentereftalátu, polyamidu, polykarbonátu a polystyrenu. Vysokofrekvenční svařování se provádí díky teplu generovanému v polárním materiálu, když je umístěn ve střídavém elektromagnetickém poli vysokofrekvenčních proudů. Kritériem použitelnosti vysokofrekvenčního svařování pro fólie je hodnota tangens dielektrických ztrát polymeru tq 8. Uvolnění množství tepla potřebného pro svařování je možné při hodnotě tg 8 > 0,01. Mezi takové materiály patří polyvinylchlorid a polyamid. Polyolefiny – LDPE, HDPE, PP – patří mezi polymerní materiály nejpoužívanější v obalovém průmyslu a jsou snadno svařitelné tavením. Polyolefiny se vyznačují nízkou aktivační energií viskózního toku (46-53 kJ/mol), mají relativně nízký bod tuhnutí (120-169 °C), široký teplotní rozsah viskózního stavu (nad 50 °C), relativně nízkou viskozitou taveniny, a proto patří mezi snadno svařitelné polymery.

Významný rozdíl mezi teplotou tekutosti a teplotou destrukce polyolefinů umožňuje, aby se podmínky svařování široce měnily. Polyolefiny se dobře svařují tepelným kontaktním svařováním a ohřívače mohou kontaktovat jak vnitřní (svařované) povrchy (tavné svařování), tak vnější (penetrační svařování). Polyolefinové fólie do tloušťky 150 mikronů se doporučuje svařovat podle schématu s jednostranným přívodem tepelné energie a fólie s tloušťkou nad 150 mikronů – s oboustranným přívodem tepelné energie, zatímco pro fólie do 150 mikronů tloušťka je doporučená šířka švu v rozmezí 2-5 mm a pro fólie nad 150 mikronů – v rozmezí 4-6 mm. Ke spojování polyolefinových fólií o tloušťce 20-250 mikronů se používá především tepelné pulzní svařování, protože mají široký teplotní rozsah mezi přechodem do viskózního stavu a destrukcí. V závislosti na tloušťce svařovaných fólií (25-100 mikronů) s oboustranným ohřevem jsou optimální režimy tepelného pulzního svařování v následujících mezích (viz tabulka 1).

Tabulka 1. Parametry režimu tepelného pulzního svařování fólií s oboustranným ohřevem a tlakem 0,2 MPa, doba chlazení 3 sekundy, pulzní výkon 1,2 kW