2.4.2. Процессы, протекающие при формовании
Процесс пневмовакуумного формования определяется тремя основными составляющими – нагрев листа, его деформирование в изделие, охлаждение отформованного изделия.
Наиболее часто для нагревания листов применяют инфракрасные нагреватели. Однако при инфракрасном нагревании по толщине листа возникает большой температурный градиент ∆Т, обусловленный низкой теплопроводностью полимера. Разновидность температур на поверхностях листа зависит от мощности нагревателя, толщины листа δ и его удельной теплопроводности λ.
Обычно формование проводится при условии, когда нижняя сторона листа аморфных полимеров нагревается выше температуры стеклования Тс, а кристаллических – выше температуры размягчения (плавления) Тпл. Обогреваемая поверхность, обычно, имеет более высокую температуру, но она не должна быть выше термостойкости (температуры деструкции Тд). Разница температур по толщине листа обусловливает температурный градиент ∆Т = Тв – Тн, зависящий от интенсивности нагревания. При уменьшении времени нагревания разность температур на поверхностях листа увеличивается, то же происходит при увеличении толщины листа. При большом градиенте температур по толщине листа, полимер на обогреваемой поверхности может перегреться, что может вызвать его термическую деструкцию или изменение окраски. Поэтому толстые листовые заготовки обычно нагревают при двустороннем расположении нагревателей. В этом случае время нагревания уменьшается в 4 раза.
Интенсивность нагревания во всех случаях выбирается из условия, что она равна разности температуры термодеструкции и температуры на нижней стороне листа:
∆Т ≤ Тд – Тн
Оптимальные температуры формования для различных материалов следующие:
АБС–пластик 140-170 °С
Полистирол ударопрочный 130-160 °С
Полипропилен 150-200 °С
Полиэтилен
низкой пластичности 90-120 °С
высокой пластичности 120-135 °С
Поливинилхлорид непластифицированный 100-160 °С
Полиэтилентерефталат 170-200 °С
Полиметилметапролат 130-180 °С
Распределение температур при нагревании листов толщиной 2 мм и ударопрочного полистирола, представлена на рис. 103. Температура на поверхности нагревания 370 °С, расстояние до листа 90 мм.
Рис. 103.
Вторым процессом является деформирование листа, которое сводится к его двухосному растяжению (вытяжке). На первом этапе заготовка листа втягивается в полость формы, не касаясь ее стенок. Площадь свободной поверхности заготовки растет, а объем остается постоянным. За счет этого толщина листа уменьшается, оставаясь одинаковой по всей поверхности. Как только заготовка коснулась холодной стенки формы, на длине поверхности контакта в заготовки появился тонкий слой отвердевшего материала. Этот слой препятствует вытяжке этого участка заготовки. Последующей вытяжке подвергается часть заготовки со свободной поверхностью, и новый участок контакта с формой образуется уже при меньшей толщине листа. Т. е., чем позже точка поверхности листа вступит в контакт с формой тем тоньше будет изделие в области этой точки. Следовательно, разнотолщенность изделия – это один из недостатков метода пневмовакуумного формования.
Процесс формования оценивается также коэффициентом вытяжки, который зависит от размеров и конфигурации изделия. Коэффициент вытяжки по площади листовой заготовки может быть различным и рассчитывается по уравнению:
где δл и δи – толщина листовой заготовки и стенки изделия.
Коэффициент вытяжки так же, как и скорость деформации, влияют на ориентацию макромолекул и прочность изделия.
При вытяжке заготовки, находящейся в эластичном состоянии, ориентационные напряжения возрастают, поэтому с увеличением степени вытяжки, скорости формования, а также при снижении температуры листа, степень ориентации молекул возрастает, так как при этом замедляются релаксационные процессы. Ориентационные напряжения в изделиях, отформованных в изотермических условиях, степень ориентации которых одна и та же во всех точках изделия, совпадают по направлению с напряжениями, которые возникают в материале под действием усилия формования. В реальных условиях, как правило, не удается получить изделия с равномерным распределением ориентационных напряжений.
Изделия с неравномерным распределением ориентационных напряжений в большей степени подвержены короблению при работе с повышенными температурами. Появлению термических напряжений способствуют температурные градиенты, возникающие при охлаждении заготовки воздухом и в момент контакта ее с оформляющей поверхностью.
Третьим процессом является охлаждение, как правило, осуществляется отводом теплоты стенками формы, обдувом изделия сжатым воздухом или комбинированным способом. В зависимости от метода формования и конструкции формы, охлаждение бывает односторонним или двухсторонним.
Время охлаждения зависит от температуры формы, температуропроводности полимера и толщины стенки изделия. Чем ниже температура охлаждающей поверхности, тем меньше время охлаждения, однако при очень резком охлаждении может произойти коробление изделий, особенно при изготовлении их из полиэтилена высокой плотности. При низкой температуре формы затрудняется оформление ребер или острых углов, при высокой температуре формы на изделии после его извлечения могут появиться гофры или складки, вызванные неравномерной усадкой. Температура формы при переработке кристаллизующихся полимеров влияет на скорость кристаллизации, степень кристалличности и соответственно на качество изделий.
В процессе охлаждения происходит усадка изделий, которая зависит от степени ориентации макромолекул полимера. При формовании на пуансоне усадка обычно меньше, так как он препятствует уменьшению линейных размеров, однако при этом затрудняется съем изделий. Особенно это опасно при формовании изделий из жестких полимеров, поскольку усадка может привести к растрескиванию изделий на пуансоне.