32. Температура нагрева листовой заготовки при вакуумформовании. Нагреватели. Температура формы. Скорость вытяжки листа.
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. Разность 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.
Оптимальные температуры формования для различных материалов след:
АБС–пластик 140-170°С
Полистирол ударопрочный 130-160°С
Полипропилен 150-200°С
Вторым процессом является деформирование листа, которое сводится к его двухосному растяжению. На первом этапе заготовка листа втягивается в полость формы, не касаясь ее стенок. 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. Последующей вытяжке подвергается часть заготовки со свободной поверхностью, и новый участок контакта с формой образуется уже при меньшей толщине листа - это один из недостатков.
Коэффициент вытяжки:
г
де
δл
и
δи
– толщина
листовой
заготовки
и
стенки
изделия.
Коэффициент вытяжки так же, как и скорость деф-ции, влияют на ориентацию макромолекул и прочность изделия.
С увеличением степени вытяжки, скорости формования, а также при снижении температуры листа, степень ориентации молекул возрастает. Изделия с неравномерным распределением ориентационных напряжений подвержены короблению при работе с повышенными температурами.
Третьим процессом явл. охлаждение, как правило, осущ-ся отводом теплоты стенками формы, обдувом, охл-ние бывает одностор-м или двухсторон-м.
Время охл-я зависит от температуры формы, температуропроводности полимера и толщины стенки изделия. Чем ниже темп-ра охла-щей пов-ти, 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.
При формовании можно выделить основные три стадии:
нагрев листа или ленты до температуры, лежащей в диапазоне высокоэластического состояния материала;
создание разности давлений воздуха в пространствах, примыкающих к противоположным сторонам разогретого листа, лист деформируется, облегая формообразующую поверхность холодной формы;
выдержка отформованного изделия в контакте с холодной формой с целью охлаждения материала отформованной детали ниже температуры перехода в твердое состояние (стеклование или кристаллизации).
Нагреватели. При радиационном способе нагрева в качестве нагревателей сопротивления используют нихромовую проволоку или ленту. Открытые (т. е. непосредственно сообщающиеся с атмосферным воздухом) нагреватели в настоящее время практически не применяются по двум причинам. Во-первых, нагрев проволоки вызывает ее удлинение и провисание, что нарушает плоскостность греющей поверхности, образованной множеством натянутых лент (или проволок). Во-вторых, контакт с кислородом воздуха, омывающего нагретую проволоку при естественной конвекции, вызывает ее интенсивное окисление. Скорость окисления зависит от температуры, поэтому достаточная долговечность открытых нагревателей может быть обеспечена только при относительно низких температурах (около 673 К). Мощность излучения и скорость нагрева листа при этом невелики.
К
онструкции
радиационных
электронагревателей
различаются
по
способу
заделки
нихромовой
проволоки.
В первом типе нагревателей используются керамические цилиндрические отверстия, в которые вставляется проволока в виде прутка или спирали (рис. 113).
Отверстия по торцам стержня сообщаются с атмосферой, так что контакт с кислородом воздуха не исключен, однако скорость поступления кислорода воздуха к поверхности проволоки в десятки раз меньше, чем в открытых нагревателях. Температура проволоки в этих нагревателях может достигать 973 К. Одна из важных функций керамики — опорная: проволока не провисает, и расстояние между излучающей и обогреваемой поверхностями поддерживается постоянным.
Во втором типе нагревателей в качестве рабочих элементов применяют так называемые трубчатые электронагреватели (ТЭНы). ТЭН представляет собой трубку, выполненную из жаропрочного металла. Внутрь трубки введена нихромовая спираль. Пространство между спиралью и внутренними стенками трубки заполнено сильно уплотненным, порошковым материалом с высокой теплопроводностью и хорошими электроизоляционными свойствами, например оксидом магния. Контакт проволоки с кислородом воздуха здесь практически исключен.
Недостатки этих двух типов нагревателей следующие. Большая масса ограждающих проволоку конструкций требует дополнительного количества тепла на ее прогрев до рабочей температуры. Время прогрева составляет 10—15 мин. После выключения нагреватели еще длительное время излучают запасенное ими тепло. В связи с этим такие нагреватели целесообразно эксплуатировать в стационарном режиме без выключения в каждом цикле.
Другой недостаток керамических нагревателей и ТЭНов состоит в том, что у них излучает тепло не поверхность нихромовой проволоки, а наружная поверхность керамики или ТЭНа. Температура излучающей поверхности значительно ниже, чем у проволоки, поэтому мощность излучения гораздо меньше, чем у открытой проволоки.
В третьем типе нагревателей нихромовая проволока введена в тонкую прозрачную трубку из кварцевого стекла, заполненную инертным газом. Эти нагреватели малоинерционны, поэтому могут работать в циклическом режиме. Контакт с кислородом полностью отсутствует, и температура проволоки может быть доведена до 2473 К. Излучает тепло непосредственно горячая проволока, так что мощность излучения этих нагревателей значительно больше, чем у нагревателей типов, описанных выше.
Независимо от типа нагреватели располагаются в одной плоскости и монтируются на раме. Со стороны, противоположной обогреваемому листу, и с боков набранный таким образом пакет нагревателей экранируется отражателем из тонколистового полированного алюминия. Отражатель возвращает попадающее на него излучение нагревателей на лист полимера: Снаружи отражатель покрыт теплоизоляцией в виде листового асбеста и защитным кожухом.
Нагреватели могут быть классифицированы также по степени подвижности относительно обслуживаемой ими зоны. Различают подвижные, стационарные и полустационарные нагреватели.