Сварка полимеров в поле токов высокой частоты (ТВЧ) основана на диэлектрическом нагреве приведенных в ко1ггакт поверхностей в результате преобразования электрической энергии в тепловую не­посредственно В1гутри самих материалов.

Основным условием для нагрева в поле ТВЧ является наличие в молекулах полимера звеньев, имеющих дипольное строение и спо­собных поля] >изоваться под действием внешнего поля. Диполями называются связанные пары равных по величине и противополож­ных по знаку зарядов. Произведение величин этих зарядов на рас­стояние между ними называется дипольным моментом. Смещение диполей под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.

В находящемся в переменном электрическом поле полимере про­исходит ориентация диполей — положительные заряды притягивают­ся к отрицательно заряженному элекгроду, а отрицательные — к положительно заряженному. При изменении направления электри­ческого поля, т. е. при смене знака заряда на электр< >дах. и зменяется ориентация диполей, а следовательно, и ориентация у чэсткое моле­кул полимера. Препятствовать ориентации будут соседние звенья той же молекулы и друтие молекулы Энергия, затрачиваемая на пре­одоление препятствий, превращается в тепло. В процессе нагрева вязкость полимера уменьшается и условия ориентации улучшаются.

Преобразование электрической энергии в тепловую происходит по всей длине материала, поэтому потери энергии и температурные перепады минимальны

Различные i гластмассы в переменном электрическом поле на] ре — ваются не одинаково интенсивно. Способность к нагреву в ТВЧ оп­ределяется величиной потерь энергии. Ее оценивают фактором диэ­лектрических потерь к, равным произведению диэлектрической проницаемости £ на тангенс утла диэлектрических потерь tg5:

*лп=£1д5. И 14)

Диэлектричес кие показатели пластмасс при частоте 106 и температуре 493 К (40]

Высокочастотной сварке подвергаются полимеры, у которых > 0,01. Это прежде всего поливинлхлорид, поливипилиденхло — рид. п( )ливипилацетат, полиамиды, эфиры целлюлозы, полиметил — метакрилаты, Ш >лиацетаи (табл. 4 4). Следует отметить, что к^ суще — (твенно зависит от температуры и частоты колебаний.

Таблица 4.4 Материал Диэлект­рическая проницае­мость г Тангенс утла диэлектриче­ских потерь t Дд Фактор по I ерь К Л" Поливинилхлорид Жесткий 2,8-3,4 0,015-0,04 0,042-0,136 Пластифици рованный 3.3-4.5 0.04-0,09 0.132-0,405 Поливинилиденхлорид 3,0-5 0 0.05-0,08 0,150-0 400 Поливипилбутираль 3,3-3,9 0,06 0.198-0,234 Поливинилацеталь 2,7 0,016 0,042 Полиамид 3,8-4,2 0,025-0,03 0,090-0,128 Ацетилпеллюлоза 3,2-7,0 0,01-0,10 0,032-0,70 Ацетобутират целлюлозы 3,2-6,2 0.01-0,04 0.032-0,248 Поли метилметакрилат 2,9-3,2 0,02-0,03 0,058-0,096 Поликарбонат 3,0 001 003 Политрифторхлорптилен 2.5-3,0 0 01 0.025-0,030 П олитетрафторэтилен 1,9-2,2 0,00025 0,000475-0,00055 Полиэтилентерефталат 3.0 0,002 0.006 Полиэтилен 2,2-2,4 0,0001-0,0004 0,00022-0,00096 Полипропилен 2.0 0.0001 0,0002 Полистирол 2,4-2,7 0Г0001 -0,002 0,00024 — 00054 Полиизобутилен 2,4-2,9 0,0005 0,0012-00015

Под воздействием ТВЧ тепловая энергия выделяется в массе по­лимера. С ростом температуры свариваемого материала поток тепла устремляется к сварочным электродам, имеющим температуру ок­ружающего воздуха (рис. 4 53).

Рис 4.53. Расположение свариваемого в ГВЧ материала 1 между электродами 2 рабочего конденсатора

DT

Уравнение тепловых процессов такой системы имеет вид

A2d2T

(415) Dt dxi cp

Где Г — температура свариваемого материала на расстоянии х от свариваемой поверхности; р — удельная тепловая мощность, выде­ляемая в виде тепа при ] 1ахожлонии полимера в ТВЧ; T — время, р— плотность мат ериала

Решение уравнения (4 15) мож етбыть представлено я виде

Г Г(2г-1)™]

(4.16)

2Ля я=1

25

Где 5 — толщина свариваемого материала; X — коэффициент теп л. и — проводности.

Формула (4.16) позволяет рассчитать распределение температу — ры по толщине свариваемых материалов В начале нагрева, при f = О, все члены суммы обращаются в ноль и Т = 0 При T = со формула f4.1 G) приобретает вид

3.лп+1 (2n-l)7tx — cos —

2XnJ ^Г ‘ 26

(4.17)

Распределение температуры в этом случае происходит по пара­боле. При малом времени нагрева распределение температур близ­ко к равномерному. На свариваемых поверхностях (х — 0) выраже­ние под знаком суммы приобретает вид

П 32

(4.18) (4.19)

1 1 1 1 и-

1+-Т+-Т+—г + Х 5 с J Ni

У 5 7 Подставляя 14.18) в (4.17), получаем

РЬ2

Х=0

2Я.

Формулы (4.16) — (4 19) позволяют решать и обратную задачу. За­даваясь температурой сварки материала (значением Гприх = 0), можно определить удельную тепловую мощность р при различном времени сварки. Из формулы (4.16) при х = 0 следует

2 ТХ

32

К

(4 20)

Л2б]’__ LP" 2§ ‘+_Le~L2s]

Тс

Объем нагреваемого материала может быть определен по формуле

V-26W., (4.21)

Где 2ft — общая толщина шва; b — фактическая ширина зоны нагре­Ва, I — фактическая длина зоны нагрева.

Общая мощность или скорость преобразования электромагнит­ной энергии в тепловую во всем объеме сварного шва составляет

P = rV = p 2Ш^р 255, (422)

Где S— фактическая площадь зоны нагрева.

Мощность Р, аккумулированная в объеме шва, будет меньше общей мощности Р. поскольку часть энергии перешла к холодным элементам:

Х=+5

(4 23)

РАкк = CPS Tdx—

Подводя под знак интеграла значение Т из выражения (4 23) и интегрируя, получаем

С2

(4 24)

If

Я

2 pS6

Р = * зкк

За"

Уравнение (4.24) позволяет рассчитать Рм и определить терми — ческии коэффициент полезного действия нагрева rjr, равный отно­шению аккумулированной в шве энергии к энер! ии, выделенной в и све ьысокочасютн! .Im полем

1 акк

Пт =

(4 25)

Зависимость г]„от толщины пластифицированно1 о ПВХ приведе­на на рис. 4.54.

Кпд % 100

80 60

40 20 О

Из рисунка видно, что дя увеличения г] процесс нагрева следует вести с максимально возможной скоростью Оказывает влияние на в и тепловой режим электродов рабочего конденсатора При холод­ных электродах потери энергии в них от нагретого материала за счет теплопроводности буд^т максимальными

0,1 о,

5 12 5 Толщина шва. мм

Рис. 4.54. Зависимость коэффициента полезного действия наг рева ТВЧ Or толщины пластифицированного ПВХ при различном времени нагрева / — 0,1.2 — 0,2. 3 — 0,5:4— 1.0с

По известным электрофизическим параметрам термопластов можно определить диапазон частот, при котором осуществляется

Быстрый нагрев зоны сварного шва до температуры вязкотекучего состояния:

РсД?’

Л —, (4-26)

ДЫд5-ее0£„доп

Где /— частота тока, Гц; AT/At — скорость нагрева, град/с; б0 — ди — элект рическая постоянная, равная 1 /(4р-9-104) ,Ф/м; Е т — напря­женность электрического поля в материале, В/м.

Расчеты пока зывают что для сварки терм< шластов этот диапазон частот составляет

/ -(30-150) 10" Гц.

Удельную тепловую мощность р можно определить по следующе­му соотношению

/ = ■•mm

Р = 0,55Л0~Ч1ф /Рмдоп. (4.27)

Сварку in )лимерных пленок в поле ТВЧ осуществляют преимуще­ственно по двум схемам: прессовой и роликовой (рис. 4.55).

Рис. 4 55. Прессовая (о) и роликовая {б) высокочастотная сварка полимерных пленок: 1 — свариваемые материалы 2— высокопотенциальный ролик; 3 — заземленный ролик; 4 — генератор высокой частоты, 5— рабочий инструмент; 6 и 7—обкладки рабочего конденсатора (6 — высокопотенциальная, 7—заземленная); 8 — сварной шов

При прессовом способе свариваемый материал помещают между обкладками рабочего конденсатора и место соединения нагревают с помощью инструмента (электродов), повторяющего внешнюю фор­му шва. Кроме подвода энергии к месту сварки электроды передают на материал необходимое давление и охлаждают рго поверхности.

Преимуществом прессового способа является равномерный нагрев свариваемого материала за один прием и при одном режиме, что обеспечивает высокое качество сварки швов,,

Роликовый способ служит для получения пр< ггяжснных непрерыв­ных швов. Сварка материалов производится двумя вращающимися в противоположном направлении электродами — роликами, один из которых соединен с высокопотенциальным выводом генератора, а другой заземлен.

При всей простоте способ имеет ряд существенных недостатков, которые ограничивают его применение При непрерывной высоко­частотной сварке особые трудности возникают во время охлажде­ния шва: материал не успевает охладиться под давлением Шов вы­ходит из-под роликов в еще нагретом сост< >янии, поэтому в процессе охлаждения может произойти его деформирование. Кроме того, ма­териал может захват ы ваться роликами в зоне разогрева, поэтому его толщина уменьшается, изменяется электрическим режим, а следо­вательно, и качество шва. Для устранения этого недостатка ограни­чивают скорость сварки, длину сварочных шьов, атакже применяют подающий механизм более сложной конструкции.

Технологические параметры нагрева и сварки упаковки (время наг рева и выдержки, давление, температура и напряженность элек­трического поля] устанавливаются экспериментально для каждого вида материала и конструкции тары и упаковки Кроме перечислен­ных выше технологических параметров на прочность сварного шва большое влияние оказывает его конечная тол щина. Утонение мате­риала в процессе сварки связано с усилием сжатия и другими пара­метрами сварки соотношением

RB

(4 28)

To,

F : 2 £о

-1

Где Р—да влеиие, 11а; 50 — толщина пленок до < :варки, см; 6j — т< члщи — на материала в зоне сварного шва, см, rj — коэффициент динамичес­кой вязкости. Па с; T — продолжительность сварки, с.

Поскольку значения t, Ь, rj можно счш ать постоянными для дан­ного типа свариваемого материала и выбранного технологического процесса, утонение в первую очередь зависит от давления.

Производство тары из полимерных пленок и листов

Особенности механических свойсть полимеров в высокоэластическом состоянии

Интервал температур, в котором можно наблюдать высокоэлас­тические свойства полимеров, равен разности температур (Т — Т) Для сетчатых полимеров верхним пределом эластических свойств является температура начала термического разложения Т, так как из-за межцепных химических связей полимер течь не может и при высоких температурах начинает разлагаться, деструктироваться, не переходя в текучее состояние Эластические свойства целесообразно рассмотреть на […]

Производство мягкой потребительской тары на фасовочно-упаковочных автоматах термоформовочного типа

Термоформовочные автоматы позволяют упаковывать любые виды продукции с использованием всех возможных методов ее по­дачи в отформованную часть тары. 11ижняятермоформованная часть из однослойного или многослойного полимерного материала являет­ся жесткой или полужесткой. Верхняя крышка отличается гибкос­тью, минимальной жесткостью. Она выполнена, как правило, из мно­гослойного материала, поэтому обладает хорошими барьерными свойствами, способностью к сварке ил и склеиванию, пригодна […]

Контакт но-тепловая сварка

Контактно-тепловую сварку нагретым ин< трументом осуществ­ляют с односторонним или л, вусторонним нагревом (рис. 4.41). Рис. 4.41. Схема контактно-тепловой сварки с од] юсторонним (а) и двусторонним (6) нагревом: 1 — нагретый инструмент; 2 — прокладки; 3 — свариваемые материалы; 4—холодный инструмент, мгн — температура нагретого инструмента; t2 — температура внешней поверхности изделия; Т —температура свариваемых поверхностей; […]