Методы сварки полимерных пленок

Хотя тепловая сварка пленок — наиболее распространенный метод, иногда по той или другой причине ее применять невыгодно. Например, если полимерные мешки используют в домашних условиях и нет оборудования для тепловой сварки, это за¬ставляет искать другие методы соединения, или же пленка сваривается трудно, несмотря на то, что она изготовлена из термопласта.

В качестве примера последнего типа пленок можно привести ацетат целлюлозы.Одним из простейших методов закрытия пластмассовых сумок является использование эластичной ленты, скобы или зажимов-так на практике закрывают полиэтиленовые пакеты для хлеба. Скобы используют, когда сумка снабжена бумажным листом с печатью и когда не нужна полная влагоизоляция.

Мешки можно сшивать, но такое соединение неплотно и может разрушаться под нагрузкой. Ламинированные пленки (см. гл. 18) в этом отношении лучше, так как линии наименьшей стойкости в каждом из слоев расположены под углом друг к другу.

ТЕПЛОВАЯ СВАРКА

Тепловая сварка является наиболее распространенным методом соединения двух пленок, сварки мешков, сумок и пакетов. После создания дублированного целлофана с плавким и водонепроницаемым покрытием были разработаны методы тепловой сварки этих пленок. Сварочный аппарат обычно состоит из двух металлических губок, часто профилированных, обеспечивающих получение шва высокой прочности. При первом появлении поли-этиленовых пленок были испробованы те же самые методы, но неудачно, поскольку полиэтилен прилипал к горячему металлу. Для лабораторных и небольших промышленных партий было найдено возможным использовать ролики и металлические губки, прокладывая слой простого (недублированного) целлофана между металлом и полиэтиленом, но это, конечно, не очень удобный метод. Более удовлетворительное решение было получено при покрытии металлических губок сварочного аппарата силиконовой резиной или ПТФЭ.

Имеется еще одно различие между пленками из полиэтилена и целлофана с покрытием, которое вносит дополнительные трудности в процесс сварки. Целлофан имеет нерасплавляемую ос¬нову и в процессе сварки происходит расплавление только плавкого покрытия. Полиэтиленовая пленка полностью расплавляется и существует опасность потери прочности из-за утонения пленки в месте сварки. Вдобавок пленка остается расплавленной и после раскрытия губок, и существует опас-, ность обрыва шва.

Одним из первых способов решения этой проблемы было из¬готовление мешков из сложенного полиэтиленового рукава. Конец рукава захватывают двумя холодными металлическими зажимами так, чтобы рукав выступал примерно на 1 см. Газовую горелку подносят к выступающей части рукава, она быстро плавится и образует прочный шов. Металлические зажимы в этом процессе нужны для отвода тепла от остальной части пленки. Метод очень медленный и опасный вследствие применения открытого огня. Другим способом решения упомянутых проблем является использование «импульсной» сварки. В импульсном сварочном аппарате зажимы делают облегченной конструкции и прикрепляют к ним провод или ленту из материала с высоким омическим сопротивлением, покрытые ПТФЭ, по которым про¬пускают электрический ток. Из-за малой теплопроводности электроды быстро нагреваются и быстро остывают при отключении электрического тока. Имеются также модели с водяным охлаждением. Недостатком таких моделей является то, что в условиях повышенной влажности может происходить конденсация паров на электроде, что может вызвать контакт между нижней губкой и электродом или привести к осаждению воды на пленке.

Последовательность проведения импульсной сварки сле¬дующая. Мешок помещают между губками и нагревают их в течение определенного времени (обычно ток включают одновременно с прижатием электрода); ток выключается по сигналу реле времени, но мешок остается между губками до охлаждения. Затем губки открывают и вынимают мешок. Цикл охлаждения обычно тоже устанавливают на реле, красная лампочка горит в течение всего времени охлаждения и нагревания. Так как мешок находится между зажимами в течение всего времени и его вынимают только после охлаждения, то нет опасности разрушения шва при съеме. Существует ограничение по ширине шва, так как чем шире шов, тем больше времени требуется на охлаждение, и процесс становится экономически невыгодным. Однако даже узкие швы при импульсной сварке достаточно прочны и вполне пригодны во многих случаях. Импульсная сварка осуществляется гораздо медленнее тепловой, поскольку время охлаждения — часть общего цикла сварки. Можно вводить различные методы охлаждения в тандем со сварочными зажимами, проводя нагре¬вание и охлаждение без выдержки пленки при охлаждении. Существуют специализированные сварочные аппараты с вращающейся губкой.

При сварке ламинированных материалов предпочтительнее использование постоянно нагретых электродов, так как лами-наты не страдают недостатками плавких монопленок. Для получения прочных соединений, следовательно, можно использовать высокоскоростной метод тепловой сварки и рифленые зажимы.

В целом надежность соединения при тепловой сварке зависит от температуры на поверхности, времени контакта, давления между зажимами и от природы пленки. В частности, при ис¬пользовании пленок ПЭНП в упаковочно-расфасовочных автоматах важными факторами являются скорость охлаждения и прочность расплава полимера. В первое время у этого оборудования лимитирующей была стадия заполнения, но с увеличением скорости заполнения лимитирующей стала скорость сварки.

Максимальная скорость сварки зависит от скорости кри¬сталлизации, которая, в свою очередь, зависит от плотности. Материалы с высокой плотностью кристаллизуются при большей температуре и быстрее. Они, конечно, требуют и более высокой температуры сварки, но на практике температура сварочных электродов выше, чем минимально требуемая для хорошей сварки, и нет необходимости дополнительно повышать ее при свар-ке материалов с высокой плотностью.

Разработаны сварочные аппараты, подающие горячий воздух на поверхность пленки. Они особенно полезны для сварки мешков для удобрений и других продуктов, загрязняющих порошком свариваемые поверхности. Все пылевые частички схватываются расплавленным полиэтиленом и не оказывают влияния на прочность сварного шва.

Другим методом тепловой сварки, используемым для многих термопластичных пленок, является сварка горячей проволокой. Тепло передают от нагреваемой током проволоки, которая служит одновременно для сварки и разделения пленки таким образом, что сварной шов находится в конце одной упаковки и в начале другой. Этот метод используют при производстве сумок и мешков и при оборачивании термоусаживающейся пленкой. Сварной шов, полученный таким образом, — узкий и без выступающего края. Такой шов может быть достаточно прочным по отношению к давлению содержащегося в пакете материала, но плохо выдерживает удары.

В России был разработан метод использования И К излучения для сварки ПВХ и полиэтилена низкой плотности. Нагревание осуществляли с помощью стержней из карбида кремния-глины с металлическими концами для хорошего электрического контакта или проволочной нагревательной спирали из нихрома в стек¬лянной трубке. Эффективность этого метода зависит от тем¬пературы, достигаемой в месте контакта двух пленок, а она, в свою очередь, зависит от количества излучения, поглощенного материалом, отраженной части излучения и части излучения, прошедшего сквозь пленку. Для большинства пластмасс максимальное поглощение наблюдается при длине волны 3 мкм и это соответствует температуре поверхности 700 °С. При сварке тонких пленок скорость повышения температуры и окончательная температура зависят от температуры материала, на котором осуществляют сварку тонких пленок. Излучение проходит через пленку и нагревает подложку, которая, в свою очередь, на¬гревает полимерную пленку, таким образом улучшая сварку. Наилучшие результаты получают с прессованной ламповой сажей или черной бумагой. Низкие скорости делают этот процесс неэкономичным для промышленных целей, но он полезен для трудно свариваемых пленок, например из ПТФЭ.

Сварка ориентированных пленок

Сварка ориентированных пленок имеет особые трудности. При нагреве пленка стремится вернуться к своему первоначальному неориентированному состоянию в зоне нагрева, что приводит к сморщиванию шва. Высокоориентированные пленки к тому же легко кристаллизуются, и, если скорость охлаждения низкая, образуются большие сферолиты, давая хрупкий сварной шов. При быстром охлаждении образуются мелкие сферолиты, и сварной шов имеет высокую прочность. Надежное закрепление околошовной зоны и охлаждение областей, соседних с горячими электродами, несколько сглаживают трудности сварки ориентирований пленок, но, к сожалению, не устраняют их полностью.

Другим методом, специально разработанным для сварки ориентированных пленок, является многоточечная сварка. Как это видно из названия, сварочные электроды состоят из большого числа очень маленьких точек и, следовательно, эффект нагревания экстремально локализован. Таким образом, уменьшается стремление к усадке по всей нагреваемой поверхности.

Недостатком этого метода является неполный шов, из-за чего воздух и водяные пары могут диффундировать через него. Более удовлетворительным методом является покрытие ориентированной пленки полимером, имеющим более низкую температуру размягчения, и проведение сварки по этому материалу. При этом ориентированная пленка не нагревается до температуры ее дезориентации, поэтому усадки удается избежать. Этот метод имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что в процессе прогревания ориентированная пленка служит опорой свариваемой пленке, если, конечно, температура сварки последней ниже температуры размягчения ориентированной подложки.

ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СВАРКА

Пленки из ПВХ и ПА6,6 трудно сваривать при нагревании, так как они разлагаются вблизи их температуры размягчения. Для решения таких проблем разработаны стабилизаторы, но предпочтительнее использовать другие методы сварки. Для таких материалов альтернативным методом является сварка, использующая высокочастотный или диэлектрический нагрев.

Метод основан на действии тока высокой частоты (ТВЧ) на заряженные молекулы полимерной пленки. Этот метод применим только для полярных полимеров. Следовательно, полиэтилен невозможно сварить током высокой частоты, потому что у его макромолекул нет дипольного момента. ПВХ, напротив, полярен, и ТВЧ широко используют для его нагрева. Полярные молекулы стараются расположиться в соответствии с колебаниями электрического поля. В результате таких быстрых колебаний возникает внутреннее трение, которое приводит к разогреву ма¬териала. Это позволяет соединить слои полимерной пленки, особенно если приложео давление. Поскольку нагрев проис¬ходит равномерно по всей пленке, нет риска перегрева мате¬риала, как это происходит при внешнем нагреве. В последнем случае температура поверхности будет значительно выше, чем температура в зоне контакта пленок. Как правило, используют частоты 50-60 МГц с напряжением около 25 кВ. Для очень тон¬ких пленок рекомендуют использовать более высокие частоты и меньшие напряжения во избежание пробоя, возможного при значительном напряжении высокой частоты. Другими словами, так как данный ток вызывает определенное количество тепла, надежнее использовать более высокие частоты при более низком напряжении, чтобы находиться ниже точки пробоя. Одним из преимуществ сварки ТВЧ является легкость, с которой можно произвести сварку через жидкость. Такой тип сварки используют в производстве шампуней, когда сваривают заполненный пакетик. Непрерывную трубку заполняют жидкостью и отдельные пакетики получают сваркой поперек трубки.

Преимуществом данного метода является то, что можно со¬здавать профилированные швы с помощью профилированных электродов. Производство пакетиков с шампунем, которые легко открыть по шву, является одним из примеров использования профилированных электродов; другим примером является капсулирование дорогостоящих и точных деталей автомобилей и самолетов. Детали помешают в вакуум-формованный прозрачный лист жесткого ПВХ и добавляют ингибитор коррозии. Такой же лист помещают сверху и сваривают профилированными по данной детали электродами, получая при этом прозрачную жесткую герметично закрытую упаковку, обеспечивающую полную защиту его содержимого.

Следующим преимуществом сварки ТВЧ является равномерный прогрев всей пленки. При тепловой сварке свариваемые поверхности нагреваются от соприкосновения с нагреваемым электродом, температура которого поэтому должна быть существенно выше требуемой вследствие плохой теплопроводности материала.

Параметрами процесса высокочастотной сварки являются температура, давление и подаваемая энергия. Для тонких пле¬нок время нагрева может быть больше теоретического из-за больших теплопотерь (вследствие большой поверхности и низ¬кого теплосодержания). В таких случаях можно использовать буферы, чтобы задержать как можно больше тепла. Давление не должно быть высоким, чтобы не вызвать утонение пленки, оно должно просто обеспечивать хороший термический контакт между свариваемыми поверхностями. Выдержка пленки после сварки под давлением позволяет увеличить прочность сварного шва. Важность величины подводимой энергии уже обсуждалась при рассмотрении вопроса о «пробое».

УЛЬТРАЗВУКОВАЯ СВАРКА

Этот метод сварки зависит от энергии вибрации ультразвуко¬вого (УЗ) волновода, проходящей через две сложенные полимерные пленки. На границе раздела между ними механическая энергия превращается в тепловую, которая производит почти мгновенную сварку. Принцип метода заключается в следующем. Энергия вибрации через УЗ головку попадает в полимер и вызывает колебательное движение. Возможно отражение энергии от поверхности соединенных пленок, но оно обычно невелико, потому что соединение осуществляется под давлением, приложенным к УЗ волноводу. Следовательно, основная энергия проходит через соединяемые пленки. Здесь энергия отражается от подложки, на которой лежит пленка, заставляя поверхности пленок вибрировать друг относительно друга; так как частоты очень высокие (около 18—20 кГц), поверхности «вбиваются» друг в друга, и механическая энергия превращается в тепло¬вую, которая расплавляет поверхности пленок.

Оборудование состоит из УЗ генератора, передающего сигнал в 20 кГц в преобразователь, который превращает электрическую энергию в механические колебания. Они усиливаются с помощью фокусирования инструментом или головкой, которые, как уже описано, находятся в контакте с двумя соединенными пленками.

УЗ сварку, как правило, применяют для обычных термо¬пластов. Прекрасные результаты получают на полистироле, ударопрочном полистироле, АБС-пластике, акрилонитрилстироле и на других пластмассах с низкой температурой плавления. Этот метод хорош для ориентированных пленок, включая поли-этилентерефталатные, так как высокая разрывная прочность этих пленок теряется при обычной тепловой сварке, в то время как УЗ сварка не прогревает пленку. Другим преимуществом данного метода является то, что его можно использовать для сварки пакетов, содержащих жирные продукты, так как сварку можно производить через поверхности, загрязненные маслами и жирами.

Несмотря на то, что обычно ультразвуком можно сваривать только аналогичные материалы, имеются и некоторые исключения. Одним из примеров является сварка полимера с бумагой или тканью. В этом случае соединение возможно вследствие того, что используют высокое локальное давление, за счет которого расплавленный полимер проникает в фибриллярную структуру бумаги или ткани. АБС-пластики можно сваривать с полиакрилатами и полистиролом, так как эти материалы хими¬чески совместимы и имеют близкие температуры плавления.

Другим примером успешного использования УЗ сварки яв¬ляется сварка многослойных бумажных мешков с внутренним слоем полиэтилена. Такая сварка возможна потому, что тепло генерируется только на свариваемых поверхностях и бумага не повреждается. При обычной тепловой сварке достаточно тепла, чтобы через бумагу расплавить полиэтилен, но в результате может обуглиться внешний слой, особенно при использовании толстой бумаги. Основными недостатками УЗ сварки являются следующие: скорость УЗ сварки значительно ниже скорости тепловой сварки (хотя это может быть преодолено со временем); имеется опасность для здоровья вследствие вибраций. На некоторых особенно чувствительных людей могут действовать ультразвуковые частоты и верхний уровень звуковых частот, который тоже иногда имеет место. Следствием непосредственного контакта с источниками ультразвука могут быть потери слуха, головные боли, кумулятивное разрушение тканей, по-этому операторы должны быть обеспечены качественной звукоизоляцией, а оборудование должно быть изолировано звукопоглощающими материалами.

АДГЕЗИВЫ (КЛЕИ)

Переработчики пластмасс часто смотрят на склеивание как на архаичный процесс (по сравнению с тепловой, ультрафиолето¬вой, инфракрасной и высокочастотной сваркой). Кроме того, такие пластмассы, как полиэтилен и полипропилен, имеют инертную поверхность, и их трудно склеить между собой. Тем не менее соединение адгезивами является все же полезным ме¬тодом, и часто его можно сделать быстрее, чем другими мето-дами. Инертные полимеры необходимо предварительно обрабо¬тать, как перед нанесением печати; в настоящее время вы¬пускают большое число адгезивов для соединения пластмасс.

Использование адгезивов — это еще одно решение проблемы соединения ориентированных монопленок. Этот метод полезен при необходимости соединения больших поверхностей, например в многослойных мешках, и для присоединения клапанов в клапанных мешках. Адгезивы также используют для соединения полимерных пленок и листов с другими материалами, например с волокнистым картоном (в блистерной упаковке). Адгезивы наносят на полимерные поверхности теми же методами, какие используют и для других материалов, например прямую и обратную промазку валками, распыление.

ВЫБОР МЕТОДА

Выбор метода соединения зависит от многих факторов: тре¬буемых характеристик сварки, природы свариваемой пленки, цены и эффективности источника энергии и сварочного аппара¬та, необходимой скорости производства. Эффективность соеди¬нения можно измерить различными способами, некоторые из ко¬торых дают только качественную информацию, но пригодны для оценки продукции.

В производстве пакетиков подача воздуха в них позволяет обнаружить протечку воздуха через сварной шов. Другим про¬стейшим методом контроля является введение внутрь красящего вещества и проверка, вытекает оно или нет. Используют также визуальное наблюдение в поляризованном свете.

---