Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów!

Transkrypt

1 Wytwarzanie i przetwórstwo polimerów! Łączenie elementów z tworzyw sztucznych, cz.1- zgrzewanie dr in. Michał Strankowski Katedra Technologii Polimerów Wydział Chemiczny Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

2 Spajanie Spajanie jest procesem trwałego łączenia tworzyw termoplastycznych, wskutek ich przejścia w miejscu łączenia, w stan plastyczny. Spajanie można podzielić na zgrzewanie oraz spawanie.

3 Zgrzewanie Zgrzewaniem nazywa się łączenie materiałów poprzez ich uplastycznienie i stopienie w miejscu łączenia, wraz z dociskiem elementów łączonych bez dodatku spoiwa. Proces zgrzewania odbywa się w warstwach wierzchnich tworzywa (lub też w całej masie). Materiał pod wpływem ciepła doprowadzany jest do stanu plastycznego i ciekłego. Pod wpływem docisku następuje przeplatanie się makrocząstek polimerowych i łączenie się zgrzewanych elementów. Parametry mające wpływ na proces zgrzewania to: temperatura (do jakiej nagrzewa sie łączone tworzywa), docisk wywierany na łączone części, czas zgrzewania, a także warunki chłodzenia.

4 Zgrzewanie W procesie zgrzewania można wyróżnić następujące odmiany zgrzewania: zgrzewanie, w którym ciepło doprowadzane jest do zewnętrznej strony elementów łączonych, np. zgrzewanie za pomocą nagrzanego drutu, zgrzewanie impulsowe; zgrzewanie, w którym ciepło doprowadza się do wewnętrznej strony elementów łączonych, np. zgrzewanie za pomocą nagrzanego klina lub płyty; zgrzewanie, w którym ciepło jest wytwarzane w warstwach wierzchnich materiałów łączonych, np. zgrzewanie tarciowe, drganiowe, pojemnościowe.

5 Zgrzewanie za pomocą nagrzanego drutu lub taśmy Zgrzewanie to polega na uplastycznieniu i stopieniu tworzywa w miejscu docisku wywieranego nagrzanym drutem lub taśmą rezystancyjną, przez które przepływa prąd elektryczny, następnie usunięciu drutu lub taśmy i ochłodzeniu miejsca zgrzewania (Rys /1.). Ten typ zgrzewania stosuje się głównie do zgrzewania folii polimerowych, np. toreb i worków z folii PE.

6 Zgrzewanie za pomocą nagrzanego drutu lub taśmy Rys /1. Zgrzewanie listwą bezpośrednią: 1 nagrzana rezystancyjnie listwa bezpośrednia, 2 folie zgrzewane, 3 zgrzeina, 4 elementy dociskające.

7 Zgrzewanie za pomocą nagrzanej listwy Zgrzewanie to należy do najstarszych technik łączenia materiałów polimerowych, zwane jest również zgrzewaniem kontaktowym. Polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa elementów łączonych pomiędzy nagrzaną listwą i nie nagrzanym podłożem (Rys /1.a) lub też dwiema nagrzanymi listwami (Rys /1.b). Następnie ochłodzeniu złącza pozostającego pod naciskiem i usunięciu zgrzanych folii spod listew. W celu uniknięcia przywierania nagrzanych listew metalowych do uplastycznionego tworzywa, jak również zmniejszenia strat ciepła w przypadku podłoża nienagrzanego, pokrywa się je odpornymi na temperaturę smarami silikonowymi, bądź też stosuje się przekładki z folii PTFE lub gumy silikonowej.

8 Zgrzewanie za pomocą nagrzanej listwy Rys /1. Zgrzewanie za pomocą nagrzanej listwy: a) z jedną listwą grzejną; b) z dwiema listwami grzejnymi; 1 - nagrzana listwa z grzejnikiem rezystancyjnym, 2 cienka przekładka z folii polimerowej, 3 zgrzewana folia polimerowa, 4 gruba przekładka elastomerowa listwy, 5 listwa nienagrzewalna.

9 Zgrzewanie impulsowe Stanowi modyfikację zgrzewania za pomocą nagrzanej listwy. Zgrzewanie impulsowe polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa części ruchomych, pomiędzy szybko nagrzewanymi i następnie ochładzanymi listwami. Dzięki odpowiedniej konstrukcji listwy ruchomej możliwe jest szybkie nagrzewanie się i ochładzanie układu (Rys /1.). Element nagrzewający posiadający małą pojemność cieplną, pod wpływem krótkotrwałego przepływu prądu elektrycznego szybko się nagrzewa, po odłączeniu prądu następuje ochłodzenie. Metodę tę stosuje się w przypadku gdy tworzywa posiadają małe wartości współczynnika stratności dielektrycznej, np. folie PE i PP o grubości do 0,6 mm, folie PS do 0,2 mm.

10 Zgrzewanie impulsowe Rys /1. Zgrzewanie impulsowe: 1- listwa ruchoma, 2 izolacja cieplna, 3 element nagrzewający, 4 przekładka, 5 folia zgrzewana, 6 podłoże.

11 Zgrzewanie za pomocą nagrzanego klina Zgrzewanie bezpośrednie, w którym źródłem ciepła jest nagrzany klin, zwany też klinem grzejnym, poruszający się wzdłuż złącza zgrzewanego (Rys /1.). Źródłem ciepła często bywa kolba lutownicza zaopatrzona w końcówkę pokrytą teflonem w celu wyeliminowania przywierania do tworzywa. Metodę tę stosuje się głównie do zgrzewania folii polimerowych.

12 Zgrzewanie za pomocą nagrzanego klina Rys /1. Zgrzewanie folii nagrzanym klinem: 1- nagrzany klin, 2 folia zgrzewana, 3 rolka dociskająca.

13 Zgrzewanie za pomocą nagrzanej płyty Zgrzewanie bezpośrednie, w którym źródłem ciepła jest nagrzana rezystancyjnie metalowa płyta, wykonująca okresowo ruch wahadłowy prostopadły do nagrzewanych powierzchni, stykająca się z elementami łączonymi (Rys /1.). Metodę tę stosuje się głównie do doczołowego zgrzewania rur i prętów. Na rysunku /1. przedstawiono schemat prostej zgrzewarki do doczołowego łączenia rur wykonanych np. z PE, PP, PVC. Do zgrzewania elementów o średnicy do 250 mm płyta ma zwykle kształt koła, natomiast do elementów o większych średnicach stosowany element grzejny jest w kształcie pierścienia.

14 Zgrzewanie za pomocą nagrzanej płyty Pręty lub rury z PE, PP, PB oraz PVC można zgrzewać poprzez uplastycznianie warstwy wierzchniej elementów łączonych wskutek kontaktu, często bezpośredniego, z płytą nagrzewaną elektrycznie (rezystancyjnie), następnie usunięcie płyty i niezwłoczne dociśnięcie do siebie (0,05 h- 0,6 MPa) łączonych elementów oraz ochłodzenie złącza. Płyta może mieć powierzchnie płaskie bądź - w celu zwiększenia pola powierzchni łączenia podczas kontaktu bezpośredniego specjalnie profilowane, pokryte PTFE. Ta odmiana zgrzewania jest dość szeroko stosowana; Proces może być ręczny lub z użyciem odpowiednich zgrzewarek.

15 Zgrzewanie za pomocą nagrzanej płyty Rys /1. Zgrzewanie za pomocą nagrzanej płyty: 1- płyta nagrzana, 2 elementy zgrzewane. U Rys /2. Schemat prostej zgrzewarki do zgrzewania doczołowego rur za pomocą nagrzanej płyty: 1 zgrzewane rury, 2 uchwyty rur, 3 nagrzana płyta, 4 prowadnice, 5 stoły do uchwytów rur, 6 dźwignie dociskowe ręczne, 7 przekaźnik hydrauliczny, 8 manometr.

16 Schemat zgrzewania za pomocą nagrzanej płyty; 1-łączone elementy (rury), 2-płyta nagrzewająca (plaska). Zgrzewarka do doczołowego zgrzewania rur. Zgrzewanie rurociągu z rur PE. Elementy lampy tylnej samochodu oraz zgrzewarka sterowana numerycznie, zgrzewająca nagrzanym elementem lampę tylną samochodu

17 Pokaz 1 Łączenia rur; Tabela zgrzewarki.

18 Zgrzewanie tarciowe W przypadku zgrzewania tarciowego element łączony lub oba elementy łączone wprawia się w ruch obrotowy i dociska, dzięki czemu, wskutek tarcia wiertnego generuje się ciepło w warstwie wierzchniej części łączonych, które z kolei powoduje uplastycznienie tych elementów. W następnym etapie złącze jest chłodzone, pozostaje pod naciskiem, ewentualnie usuwa się wypływy tworzywa w obszarze zgrzeiny. Zgrzewanie to może być prowadzone na tokarkach (Rys /1.), wiertarkach lub specjalnie do tego skonstruowanych zgrzewarkach. W obrębie zgrzewania tarciowego można wyróżnić: zgrzewanie tarciowe obrotowe współosiowe, obrotowe niewspółosiowe oraz zgrzewanie tarciowe liniowe drganiowe.

19 Zgrzewanie tarciowe Rys /1. Zgrzewanie tarciowe na tokarce: a) przed procesem zgrzewania; b) po procesie zgrzewania, 1 część zgrzewana wykonująca ruch obrotowy, 2 część zgrzewana nieruchoma, 3 kieł obrotowy, 4 ustalacz, 5 uchwyt centrujący tokarki.

20 Zgrzewanie pojemnościowe Zgrzewanie pojemnościowe polega na ściśnięciu i uplastycznieniu tworzywa pomiędzy listwami, które stanowią elektrody kondensatora. Wytworzenie zmiennego pola elektrycznego powoduje nagrzanie się tworzywa w całej masie i w kolejnym etapie wyjęciu elementów spod elektrod. Elektrody są chłodne, dlatego też następuje przenoszenie ciepła z tworzywa do elektrod, w rezultacie w pobliżu elektrod materiał jest mniej nagrzany, natomiast tworzywo posiada większą temperaturę w pobliżu środka (Rys /1.). Tworzywa sztuczne jako typowe dielektryki wykazują w polu elektrycznym zjawisko polaryzacji (uporządkowane ustawienie się różnoimiennych ładunków elektrycznych, zgodnie z kierunkiem linii sił pola).

21 Zgrzewanie pojemnościowe W wyniku zmian kierunku działania pola, zmieniają się orientacje makrocząsteczek. Na skutek tarcia związanego z tymi ruchami, wydziela się ciepło. Jeśli do okładzin doprowadzi się prąd o dostatecznie wysokiej częstotliwości, makrocząsteczki zostaną wprowadzone w szybkozmienne drgania. W takich warunkach ilość wydzielonego ciepła jest wystarczająca do uplastycznienia niektórych tworzyw. Podczas zgrzewania tworzyw o grubości mniejszej od 0,1 mm przenoszenie ciepła jest znaczne i w takim przypadku nie powinno się stosować zgrzewania pojemnościowego.

22 Zgrzewanie pojemnościowe Rys /1. Rozkład temperatury w procesie zgrzewania pojemnościowego folii o różnym współczynniku strat dielektrycznych: a) zgrzewanie folii o jednakowej grubości; zgrzewanie folii o różnej grubości, 1 elektrody kondensatora, 2 zgrzewane folie, 3 krzywa przebiegu temperatury.

23 Zgrzewanie ultradźwiękowe Typ zgrzewania, w którym ciepło jest generowane na skutek cyklicznych zmian pól natężeń ściskających i rozciągających oraz mikrotarcia na łączonych powierzchniach, wywołanych drganiami mechanicznymi ultradźwiękowymi. Drgania ultradźwiękowe dochodzące do strefy złącza wywołują tarcie na powierzchni łączenia, a generowane ciepło powoduje uplastycznienie warstw wierzchnich tworzyw łączonych. Rozróżnia się zgrzewanie ultradźwiękowe bezpośrednie (Rys /1.a) stosowane w przypadku tworzyw o małym współczynniku sprężystości oraz zgrzewanie ultradźwiękowe pośrednie (Rys /1.b) stosowane w przypadku materiałów polimerowych o dużym współczynniku sprężystości. Do łączenia tą metodą nadają się tworzywa odznaczające się wysoką zdolnością przenoszenia drgań mechanicznych, czyli materiały o dużym module sprężystości (poliwęglan, poli(metakrylan metylu), poliestry termoplastyczne, tworzywa styrenowe, acetalowe oraz poli(tlenek fenylenu)).

24 Zgrzewanie ultradźwiękowe Rys /1. Zasada zgrzewania ultradźwiękowego: a) bezpośredniego, b) pośredniego, 1 sonotroda, 2 kowadełko, 3 transformator ultradźwiękowy, 4 elementy zgrzewane, 5 przetwornik ultradźwiękowy.

25 Zgrzewanie ultradźwiękowe Przyrząd do ręcznego zgrzewania ultradźwiękami. Zgrzewanie izolacji do obicia wewnętrznego drzwi samochodowych.

26 Zgrzewanie elektrooporowe Technologia zgrzewania elektrooporowego polega na łączeniu rur z polietylenu przy pomocy specjalnych kształtek z wbudowanym obwodem drutu oporowego. Obwód ten pod wpływem przepływającego prądu rozgrzewa się i powoduje trwałe połączenie pomiędzy zewnętrzną krawędzią rury a kształtką. Połączenie typu elektrofuzyjnego to nowoczesna technologia pozwalająca na bezpieczne, mocne oraz trwałe połączenie zgrzewanych elementów. W początkowym okresie stosowana była do łączenia rur w sieciach gazowych, ponieważ dawała pewność, iż połączenie będzie szczelne przez dziesiątki lat. Obecnie zgrzewanie elektrooporowe stosuję się również w sieciach wodociągowych oraz kanalizacjach podciśnieniowych.

27 Zgrzewanie elektrooporowe Zgrzewanie można wykonać przy użyciu zgrzewarek o napięciu zgrzewania 39,5 V przy pomocy kodu paskowego lub wprowadzając dane w sposób manualny. W celu zapewnienia najwyższej jakości naszych wyrobów i aby najlepiej zaspokajać potrzeby klientów proces produkcyjny jest ciągle usprawniany a firma FOX jako pierwszy polski producent kształtek elektrooporowych wprowadziła i stosuje system zarządzania jakością zgodny z wymaganiami normy PN:EN ISO 9001:2000. Rys /1. Kształtka elektrooporowa do łączenia rur.

28 Pokaz 2 Redukcja; Katalog Zgrzewarka elektrooporowa.

29 Zgrzewanie indukcyjne Ze zgrzewaniem indukcyjnym mamy do czynienia wówczas, gdy w strefie łączenia umieszczony jest przewodnik elektryczny, który nagrzewa się w zmiennym polu magnetycznym. Wokół przewodnika materiał polimerowy ulega uplastycznieniu wskutek przewodzenia ciepła od przewodnika do tworzywa. Wadą tej odmiany zgrzewania jest m.in. pozostawanie przewodnika w obszarze zgrzeiny (Rys /1).

30 Zgrzewanie indukcyjne Rys /1. Zasada zgrzewania indukcyjnego: 1 płyty dociskowe, 2 cewka indukcyjna, 3 pierścień metalowy, 4 przedmiot zgrzewany.

31 Koniec