Термоформование Разновидности методов и особенности технологии

Основная особенность этого способа переработки полимерных материалов заключается в том, что формование изделий осуществляется не из расплава, а из заготовок полимерного материала (листа, пленки), нагретых до раз­мягченного состояния. Известно несколько разновидностей термоформования:

1. вакуум-формование,

2. пневмоформование,

3. пневмовакуум-формование,

4. вытяжка свободная и с пуансоном,

5. штамповка и пр.

Все эти разновидности объединяются принципиальной общностью технологий, суть которых в следующем: полимерная заготовка нагревает­ся до размягчения, приложенным усилием оформляется в изделие и затем охлаждает­ся при сохраняющемся усилии формования.

Термоформованием перерабатываются большинство термопластов. Лучшие резуль­таты получают на аморфных полимерах ПВХ, ПС, ПММ, ПК, перерабатывают этим методом и кристаллизующиеся полимеры ПЭВП, ПЭНП, ПП. Практически не термоформуются такие кристаллические термопласты, как ПА.

Ассортимент изделий, получаемых термоформованием, необычайно широк: от тарных емкостей объемом в доли кубических сантиметров до корпусных деталей, площадью в несколько квадратных метра.

К бесспорным достоинствам метода термоформования относятся:

1. простота тех­нологии и машинного оформления,

2. низкая энергоемкость,

3. невысокая стоимость ис­пользуемой оснастки,

4. возможность полной автоматизации процесса,

5. универсаль­ность по виду перерабатываемых пластмасс, с упрощенным переходом от одного полимерного материала к другому.

Теория метода

Формование изделий из листовых, пленочных или иных заготовок производит­ся в условиях нагрева полимера выше температуры размягчения Т_р. В этом случае модуль упругости термопластов снижается приблизительно на два порядка, что резко уменьшает значение усилия формования. Температура формования изделия Т_ф существенно ниже темпе­ратуры плавления полимера. Обе эти особенности и определяют главные техни­ко-экономические достоинства метода.

Выбор значения Т_ф зависит от свойств перерабатываемого материала и наиболее наглядно иллюстрируется с помощью термомеханических кривых (рис. 14.1, б). Из­вестно, что аморфные полимеры при нагревании выше Т_р размягчаются и переходят в высокоэластическое состояние, начинающееся с Т_вэ. При дальнейшем нагревании до температуры начала плавления Т_нп физическое состояние аморфного термоплас­та остается неизменным, что выражается в виде так называемого «плато» на ТМК (рис. 14.1, б, кривая 1). Следовательно, в интервале температур Т_вэ—Т_нп полимер при­обретает качества, позволяющие легко его деформировать, придавая листовой, пле­ночной или иной заготовке форму изделия.

Рис. 14.1. Влияние температуры на изменение свойств и состояние термопластов:

а — модуль упругости Е; б — термомеханические кривые кристаллизующегося (2)

и аморфного (1) термопластов; в и г — условно-схематическое молекулярно-конформационное

состояние термопластов при температуре формования Т_ф:

в — ненагруженное; г — нагруженное усилием Р_ф

Физико-химическая особенность высокоэластического деформирования состоит в том, что оно происходит за счет вытягивания макромолекул. Весьма упрощенно это можно проиллюстрировать с помощью рисунка 14.1, в и г. В положении «в» полимер не нагружен и макромолекула принимает форму квазиклубка, как термодинамически наиболее выгодную. После приложения усилия формования Р_ф полимерный образец удлиняется на l за счет вытягивания сегментов макромолекул в направлении вектора Р_ф. При этом положение концов мак­ромолекул остается неизменным. Понятно, что чем плотнее и организованнее уклад­ка макроцепей в исходной полимерной заготовке, тем сложнее осуществлять конформационные перестроения макромолекул и, соответственно, ее деформирование в размягченном состоянии. Поэтому температурный диапазон термоформования кристаллизующихся полимеров, во-первых, уже, чем у аморфных, и, во-вторых, сдвинут ближе к температуре плавления (рис. 14.1, б, кривая 2).

Новая надмолекулярная структура полимеров, подвергнутых термоформованию, является неравновесной. Это вызывает структурно-релаксационные процессы, темп которых зависит от температуры эксплуатации. Чем выше температура, тем быстрее «отдеформированный из заготовки образец» будет стремиться вернуться к своей ис­ходной геометрической форме.

Таким образом, изделия, полученные методом термоформования, могут экс­плуатироваться лишь при температурах, не превышающих Т_р.