Józef Richert, Tomasz Żuk
Instytut Inżynierii Materiałów Polimerowych i Barwników, Toruń
Termoformowanie polega na równomiernym nagrzaniu płyty lub folii (powyżej temperatury mięknienia Tm – tworzywa bezpostaciowe lub temperatury topnienia krystalitów Tt – tworzywa częściowo krystaliczne) z tworzywa polimerowego, zamocowanego w ramie napinającej, następnie jej odkształceniu pod wpływem ciśnienia zewnętrznego, odwzorowując kształt formy. Podczas termoformowania pod wpływem naprężeń tworzywo odkształca się (stan wysoko-elastyczny), stan tego odkształcenia jest utrwalany podczas chłodzenia.
Na proces termoformowania istotny wpływ mają: wytrzymałość na rozciąganie (lub zginanie) oraz maksymalne wydłużenie przy zerwaniu w temperaturze kształtowania. Z punktu widzenia łatwości formowania najkorzystniejsza byłaby możliwie duża wartość temperatury, ale byłoby to niekorzystne ze względu na pogorszenie wytrzymałości tworzywa i możliwość uszkodzenia kształtki w czasie procesu. W związki z tym zachodzi konieczność wyznaczenia zakresu temperatury, w którym będą zapewnione optymalne warunki formowania. Z samej istoty odkształcenia wysokoelastycznego wynika, że kształt jest nadany odwracalnie, tzn. po ponownym ogrzaniu przedmiotu powyżej temperatury zeszklenia i usunięciu naprężeń zewnętrznych nastąpi poodkształceniowy powrót oraz częściowe przywrócenie pierwotnych rozmiarów kształtki. Technologia termoformowania zastępuje w znacznym stopniu technologię wtrysku. Metodą tą można wytwarzać wyroby o bardzo małej grubości ścianki (rzędu setnych części mm) i o znacznych gabarytach (rzędu kilku m2).
Do zalet termoformowania można zaliczyć m.in.:
n możliwość wytwarzania wyrobów o bardzo małej grubości ścianek i znacznych gabarytach,
n niski koszt form,
n możliwość stosowania form wielokrotnych, zwiększając wydajność produkcji,
n swobodę wyboru surowca do formowania.
Do wad termoformowania można zaliczyć:
n wysokie ceny surowca – ceny płyt i folii są ok. 100% wyższe od cen granulatu,
n powstawanie znacznych odpadów poprodukcyjnych przy obcinaniu (okrawaniu), których nie da się bezpośrednio zagospodarować w tej technologii,
n nierównomierności w grubości ścianek wyrobu – pocienianie w narożach,
n niemożność wykonania w jednej operacji otworów oraz gwintów,
n konieczność wykonania obróbki wykańczającej (obcinanie obrzeży, wiercenie otworów itp.).
Cechy, które powinny spełniać tworzywa stosowane w termoformowaniu powinny:
n mieć szeroki zakres temperatur przetwórstwa,
n umożliwiać uzyskanie odpowiedniej głębokości formowania: H/D (stosunek wysokości formowania do średnicy),
n dobrze płynąć, dokładnie wypełniać zagłębienie i układać się na krawędziach form,
n ulegać pod wpływem ogrzewania całkowitemu i równomiernemu zmiękczaniu tak, aby można było formować wyroby przy nadciśnieniach lub różnicy ciśnień rzędu 1 bar (0,1 MPa),
n mieć odpowiednią wytrzymałość cieplną, aby powierzchnia nagrzewanego materiału nie ulegała uszkodzeniu termicznemu podczas nagrzewania,
n zachować kształt po formowaniu i wytrzymałość wynikającą z cech materiału wyjściowego.
Zatem stosunkowo tanie i wysokowydajne przetwórstwo sprawia, że wytłaczanie i termoformowanie jest powszechnie wykorzystywane zarówno w produkcji opakowań, jak i produktów wielkogabarytowych. Oferowane rozwiązania techniczne przewidują wiele różnorodnych wariantów: od produkcji jednostkowej i prototypowej do masowej skali wielkoprzemysłowej.
Zalecenia dotyczące procesu wytłaczania folii sztywnej z PLA
Na podstawie przeprowadzenia analizy literatury, a także doświadczeń własnych uzyskanych podczas budowy specjalnego stanowiska badawczego do wytłaczania folii sztywnej z PLA, a następnie jej termoformowania, ustalono warunki procesu wytłaczania i termoformowania folii sztywnej z PLA [-5].
Założenia technologiczne procesu przetwarzania polilaktydu na skalę przemysłową
Zalecenia dotyczące urządzeń do przetwórstwa PLA:
n możliwość przetwarzania przy użyciu konwencjonalnych urządzeń, takich jak np. wytłaczarki jednoślimakowe,
n zalecane jest stosowanie ślimaka uniwersalnego o długości L=24-32D i stopniu sprężania 2,5-3,
n gładki cylinder.
Zalecenia dotyczące materiałów konstrukcyjnych użytych przy produkcji urządzeń do przetwarzania PLA:
n elementy metalowe powinny być wykonane ze stali nierdzewnej w celu zminimalizowania korozji; dotyczy to pompy zębatej, zespołów filtrów i łączników,
n osnowa z PLA nie powinna pozostawać w wytłaczarce, filtrach, łącznikach, głowicach lub jakichkolwiek innych układach wytłaczania, w których PLA występuje w temperaturach topnienia lub wyższych przez dłuższy czas,
n głowica do wytłaczania PLA powinna być pokryta chromem.
Zalecenia dotyczące procesu wylewania folii sztywnej z PLA:
n istnieje możliwość stosowania konwencjonalnych głowic do wytłaczania folii – może być ona z powodzeniem stosowana do wytłaczania folii z PLA,
n należy unikać stosowania zewnętrznych przysłon dyszy głowicy, które mogą powodować degradację tworzywa,
n stosowanie zewnętrznych przysłon głowicy może prowadzić do stałego dodatku tworzywa o niskim wagowym ciężarze cząsteczkowym przy krawędziach folii, wskutek czego możliwa jest niestabilność tych krawędzi,
n wysokość szczeliny głowicy powinna być o ok. 50% większa niż wymagana grubość folii,
n formowanie folii jest możliwe przy zastosowaniu kalandra,
n ponieważ stopiony PLA ma mniejszą lepkość niż większość tworzyw, wskazane jest użycie skośnych i poziomych zestawów walców w szczególności dla dużych wydajności wytłaczania,
n głowica powinna być usytuowana możliwie jak najbliżej wejścia do zacisku i trochę wyżej niż zaciski,
n wytłaczana folia stopionego PLA powinna kontaktować się z pierwszym walcem tak blisko, jak to możliwe; będzie to eliminowało możliwość zamknięcia powietrza między arkuszem a walcem, co może powodować defekty w folii,
n hydrauliczny układ zamykania walców jest korzystniejszy niż pneumatyczny, ponieważ umożliwia ściskanie z większym ciśnieniem,
n osnowa z PLA ma tendencje do szybszego zestalania się, dlatego trzeba dobrać temperaturę walców równą ok. 45°C,
n pneumatyczny układ zamykania walców może być użyty, ale wymagany jest jednolity wypływ tworzywa z głowicy,
n dodatkowo szczelina pneumatycznego układu zamykania walców musi mieć taką samą wielkość jak wymagana, końcowa grubość folii,
n najlepsza jakość folii uzyskiwana jest wówczas, gdy nie ma żadnego lub jest małe walcowanie brzegów na górnym zacisku układu zasilającego walca,
n przy wyrobie cieńszych arkuszy foliowych (mniejszych niż 0,38 mm), należy stosować dociski hydrauliczne, aby pokonać lepkość szybko chłodzonego polimeru.
Zalecenia dotyczące termoformowania pojemników z PLA
n do ogrzewania warstwy PLA służy promieniowanie podczerwone (IR),
n parametry termoformowania powinny mieścić się w zakresie temperatur 80-110°C,
n jeżeli warstwa PLA ma być przycięta przed termoformowaniem, powinna być podgrzana do temperatury 90°C, by zapobiec jej pękaniu,
n zastosowanie recyklatu w ilości do 50% nie wpływa znacząco na wykonanie wyrobu gotowego.
Podsumowanie
Wytłaczanie, a następnie termoformowanie pojemników z polilaktydu jest procesem trudnym. Jednakże przy prawidłowym prowadzeniu procesu technologicznego istnieje możliwość wytłoczenia folii sztywnej, o bardzo dobrych właściwościach mechanicznych, przetwórczych i użytkowych, a także w następnym etapie termoformowanie pojemników o prawidłowych grubościach ścianek. n
LITERATURA
[1] Lim L. – T., Auras R., Rubino M.: Processing Technologies for poly (lactid acid), Prog. Polym. Sci. 2008, 33, 820 – 852.
[2] Pat USA, nr 6,559,244B1, (2003), Proccessable poly (hydroxyl acids).
[3] Pat USA, nr 2006/0045940A1, (2006), Polylactid acid blown film and method of manufacturing same.
[4] Natureworks. Production of Natureworks polylactide films on blown film equipment destigned for producing low den sity polyethylene film. Minnetonka, MN: Matureworks LLC, 2003.
[5] Pat USA, nr 6,117,928, (2000), Polilactide films.
