Материалы для изготовления термоформованной тары

 

Для изготовления термоформованных изделий, в том числе и тары, могут быть использованы листовые и рулонные материалы, изго­товленные из термопластов - ударопрочного полистирола, АБС-пластиков, непластифицированного и пластифицированного ПВХ, эфиров целлюлозы, полиолефинов, в особенности обладающих вы­сокой вязкостью в расплаве [5, 6], а также поликарбонатов, поли-амидов, полиметилметакрилата.

Наиболее технологичными и доступными являются листовые и рулонные материалы из ударопрочного полистирола и пластифици­рованного ПВХ. Они нашли широкое применение для изготовле­ния термоформованной тары в отечественной и мировой практике.

Из отечественных материалов для изготовления потребительской термоформованной тары в основном используется ударопроч­ный полистирол рулонный марок УПМ-503 (508, 703) и УПС-505 (604с, 801, 804), выпускаемый под названием «Лента полистирольная» по ТУ 6-15-922-75 для нужд бытовой химии и по ОСТ 49-49-72 для нужд мясомолочной и пищевой промышленности.

Разработана и испытана композиция на основе экструзионного ПВХ из отечественного сырья, пригодная для изготовления рулонного материала и затем из него—термоформованной тары.

По условиям работы импортных ФУА и условиям транспортирования и хранения товаров в термоформованных кюветных ко­робках требования по качеству к рулонным полимерным материа­лам должны быть более жесткими, чем предусмотрено ОСТ 49-49-72 на полистирольную ленту. Технические требования следует расширить, включив показатели по усадке, формуемости, сва­риваемости и др.

Таблица 7 Технические требования, предъявляемые к рулонным термопластам для изготовления потребительской тары на формовочно-упаковочных автоматах

Показатели	Полисти­рол УПМ	Поливинил-хлорид	Полиэтилен высокой плотности	Полипро­пилен
Толщина ленты, мкм: для коробки для укупорки	500-1200 150-200	500-1200 150-200	600-1500 -	600-1500 -
Допустимая разнотолщин-ность, %, не более
Разрушающее напряжение при растяже­нии, МПа			12-16	25-40
Относительное удлинение при разрыве, %		30-50	150-160	100-140
Максимальная рабочая температура, ºС
Морозостой-кость, °С	-50	-40	-70	-15
Устойчивость к светотепловому воздейст­вию, баллы	-		-	-
Усадка при температуре формования, %, не более: в направлении экструзии перпендикуляр-но направле-нию экструзии
Термоформуе-мость (отношение глубины вытяжки к диа-метру изделия), не ме­нее		1,5
Прочность термодиффузионной сварки, % от прочности основного материала
Прочность пе-чати к сухому и мокрому трению, баллы не менее

Технические требования, предъявляемые потребителями к рулонным термопластам, сформулированы в табл. 7.

Термоформирование листовых и рулонных термопластов производят в высокоэластическом состоянии. При этом важным показателем является температурный интервал высокоэластического состояния термопласта. У полимеров с преобладанием аморфной структуры (полистирол, поливинилхлорид, полиметилметакрилат) этот интервал больше, чем у полимеров с преобладанием кристаллической структуры (полиамиды, полиолефины) [5].

При термоформовании листов и пленок следует учитывать их усадку в высокоэластическом состоянии. Важно, чтобы отношение усадок в поперечном и продольном направлениях было не менее 1:2. Усадочные свойства листовых и рулонных материалов, а так­же ориентационные явления в них зависят от способов их произ­водства. В листах, полученных в формах (например, в листах из полиметилметакрилата) отсутствуют остаточные напряжения; усадка в продольном и поперечном направлениях одинакова и невелика. В листах, полученных методом прессования (например, в листах из винипласта), остаточные напряжения также невелики и равномерно распределены по ширине и длине. В рулонном поли­мерном материале, полученном экструзией и каландрированием, возникают значительные остаточные напряжения, вследствие чего появляются большие усадки, особенно в продольном направлении. Рулонные полимерные материалы из ударопрочного полистирола и пластифицированного ПВХ производят экструзионно-каландровым способом.

Наличие остаточных напряжений, особенно неравномерно распределенных, не только вызывает усадку, но и может привести к короблению заготовки во время ее нагрева и в конечном счете— к браку отформованных изделий. Чем меньше время релаксации напряжений в отформованном изделии [5], тем меньше продолжительность охлаждения изделия в форме, а, следовательно, выше производительность процесса.

Для листовых и рулонных материалов основной обобщающей технологической характеристикой является термоформуемость. Показателями термоформуемости служат глубина вытяжки типового образца и разнотолщинность его стенок. Эти показатели определяются на приборах или настольных лабораторных установках [5]. Другой важной технологической характеристикой термоформуемых материалов, применяемых для изготовления потребитель­ской тары, является качество их термической сварки.

Способы термоформования

Термоформование, или формование с предварительным нагревом листовых и рулонных термопластов, имеет несколько разновидно­стей, различающихся по технологическим, конструкционным приз­накам и применяемой оснастке [5]. Классификация основных способов термоформования приведена на рис. 31.

Рис. 31. Классификация основных способов термоформования

Пневмотермоформование - процесс изготовления изделий из листовых и рулонных термопластов, при котором заготовка разогревается, с помощью горячего сжатого воздуха прижимается, на­пример, к матрице, и, плотно облегая форму под давлением, оформ­ляется в готовое изделие.

Пневмотермоформование осуществляется в закрытой форме (рис. 32), состоящей из шаблона (1) и крышки (2). На последней закреплен штуцер (3) для подачи сжатого воздуха в форму. Давле­ние формования может быть значительным, поэтому данный спо­соб применяется для изготовления глубоких изделий с малой разнотолщинностью из толстых листов.

Негативное и позитивное термоформование различаются в зави­симости от того, в какой форме - негативной или позитивной - формуется изделие (см. рис. 32). При негативном формовании заготовка контактируется с формой по поверхности, которая превращается в наружную поверхность получаемого изделия (материал вдавливается в матрицу) (рис.32, а); при позитивном формовании, наоборот, материал контактирует с формой по поверхно­сти, которая становится внутренней стороной изделия (материал при этом прижимается к пуансону) (рис. 32, б). Эти различия относятся как к пневматическому, так и к вакуумному формова­нию. Выбор негативного или позитивного формования зависит от конструкции изделия. Например, при формовании маскарадной маски (рис. 32) выгодным является негативный метод, так как в этом случае наиболее точно копируется лицевая сторона маски и значительно меньше растягивается заготовка; при этом получается меньшая разнотолщинность стенок изделия и экономится материал.

Вакуум-термоформование - процесс, в котором разогретая заготовка термопласта втягивается в матрицу или обжимается на пуансоне формы с помощью вакуума.

Рис. 32. Схема пневматического термоформования:

а - негативное; б - позитивное; 1 - форма-шаблон; 2 - крышка;

3 - штуцер для сжатого воздуха; 4 - заготовка

Рис. 33. Схема негативного вакуумного термоформования:

1 - подвижная электроплита-излучатель; 2 - боковые экраны

 

Процесс вакуумного термоформования (рис. 33) включает следующие стадии: заготовка накладывается на форму и герметично зажимается в ней по периферии контурной рамкой; заготовка разогревается с помощью надвигаемой электроплиты; по окончании разогрева включается вакуум и заготовка обжимается на форме, принимая вид готового изделия; в течение некоторого времени изделие охлаждается, а затем извлекается из формы.

Рис. 8.34. Разнотолщинность стенок изделия при различных

способах формования:

I - формование сжатым воздухом с предварительной вытяжкой;

ΙΙ - формование сжатым воздухом без предварительной вытяжки; ΙΙΙ - вакуум-формование

 

Этот способ получил наибольшее распространение из-за возможности применения недорогих форм из древесины, гипса, пласт­масс, жести, так как при этом способе давление, воспринимаемое формой, невелико - не более атмосферного (0,1 МПа). Тем не ме­нее вакуумное термоформование имеет существенные недостатки: возможно формование листов толщиной не более 5 мм; допускает­ся лишь ограниченная глубина вытяжки; наблюдается значитель­ная разнотолщинность стенок при глубокой вытяжке (рис. 34), особенно в углах и местах перехода. Из-за этих недостатков в чис­том виде вакуумное термоформование применяется редко. При изготовлении тары на автоматах применяется смешанное - пневмовакуумное термоформование с предварительной вытяжкой.

Пневмовакуумное термоформование с предварительной вытяж­кой сжатым воздухом применяется с целью получения более глу­боких изделий с малой разнотолщинностью стенок. Этот вид термоформования получил наиболее широкое распространение при из­готовлении крупногабаритных изделий (ванн, кювет, ящиков и др.). Оно осуществляется на однопозиционных машинах периодическо­го действия, работающих по схеме, приведенной на рис. 35, оно может быть выполнено также на машинах, работающих по схеме, изображенной на рис. 36.

Рис. 35. Схема позитивного вакуумного термоформования

с предварительной вытяжкой сжатым воздухом:

I - зажим заготовки в рамке и ее разогрев; ΙΙ - подача в камеру сжатого воздуха и не­большая вытяжка заготовки; III - перемещение формы с пуансоном вверх, механическая вытяжка заготовки; ΙV - включение вакуума и обтяжка заготовки на пуансоне, т. е. окончательное формование изделия

Рис. 36. Схема скользящего пневмовакуумного формования полиэти­лена:

1 - вентиль для включения сжато­го воздуха в положении ΙΙ и ΙΙΙ; 2 - полый пуансон; 3 - нагрева­тельный экран; 4 - зажимные рамки; 5 - лист термопласта; 6 - форма; 7 - вентиль для включения сжатого нагретого воздуха в поло­жении ΙΙ, III, IV и вакуума в положении V

 

Пневмовакуумное термоформование с предварительной вытяж­кой толкателем также применяется с целью получения более глу­боких изделий с малой разнотолщинностью стенок. Этот вид термоформования применяется для изготовления потребительской тары из рулонных термопластов на ФУА, работающих по схеме, приведенной на рис. 37.

Рис. 8.37. Схема пневмовакуумногй формования

с предварительной вытяжкой толкателем:

Ι - закрепление заготовки (1 - толкатель, 2 - матрица); ΙΙ - нагревание;

ΙΙΙ - опускание толкателя; IV - вакуум-формование; V - выталкивание

 

Толкатель, опускаясь на разогретый и зажатый по краям фор­мы материал до включения вакуума или сжатого воздуха, предварительно вытягивает заготовку, придавая ей форму, близкую к форме изделия. Диаметр толкателя и глубина его погружения в форму зависит от вида рулонного термопласта. Так, в случае полистирольных или поливинилхлоридных пленок диаметр толкателя составляет 75 % диаметра формы. Он погружается со скоростью 15 м/мин на 85 % глубины формы. При формовании тары из листов полипропилена или поликарбоната диаметр толкателя уменьшается до 65 % диаметра формы, вытяжку с помощью толкателя производят до полной глубины формы со скоростью 10 м/мин.

Воздух, находящийся в полости матрицы, выходя при движении выталкивателя через стык матрицы и листа, создает теплоизолирующую прослойку, предотвращающую охлаждение и затвердевание листа в верхней зоне матрицы и способствующую равномерной вытяжке. При этом получаются изделия с равномерной толщиной стенок, большой глубины и с высококачественной поверхностью (см. рис. 34).

Пневмовакуумное термоформование с предварительной вытяжкой сжатым воздухом и толкателем позволяет сочетать предварительное растяжение сжатым воздухом с механическим растяжением толкателем. Окончательное оформление изделий осуществляется вакуумом и сжатым воздухом. При этом можно достичь глубины вытяжки, равной двум диаметрам круглой или двум сторонам квадратной заготовки.

Применение только жесткого толкателя при пневмоформовании рулонного ПЭВП не дает положительных результатов, особенно при глубокой вытяжке. При переработке ПЭВП следует несколько увеличить скорость охлаждения материала после формования до раскрытия формы, так как в размягченном состоянии этот материал чувствителен к деформации и усадке. Улучшенные результаты переработки рулонного ПЭВП дает применение пневмовакуумного способа термоформования со скользящим пуансоном-толкателем по схеме, изображенной на рис. 36. По этой схеме работают ФУА «Сенд форм» английской фирмы «Бекер Перкинс».

Термоштампование - процесс, при котором термоформование происходит при одновременном двухстороннем воздействии на заготовку матрицы и пуансона формы - штампа. Оно применяется при изготовлении неглубоких многогнездных изделий (конфетные прокладки из пленок, прокладки для яиц и др.) в жестких штампах или в штампах с эластичным пуансоном (рис. 38).

Рис. 38. Схема термоштампования с помощью сопряженного (а) и эластичного (б) пуан­сонов и штампование (в):

1 - матрица; 2 - пуансон; 3 - заготовка; 4 - обойма; 5 - прижимная рамка

 

Имеются еще несколько специфических способов термоформования. К ним относятся: формование в разъемной форме, применяемое для изготовления изделий с поднутрениями; двухстороннее формование, происходящее при подаче сжатого воздуха или пара между двумя листовыми заготовками, зажатыми в форме (листы раздуваются с одновременной сваркой по месту зажима, изделие получается закрытым); негативно-позитивное формование, при ко­тором изделие (например двери бытовых холодильников) формует­ся с двух сторон матрицей и пуансоном; формование с применени­ем прототипа (чаще всего упаковываемого изделия), при котором в процессе формования материал обтягивает упаковываемое изде­лие или его прототип; формование изделий с помощью эластичной диафрагмы, при котором резиновую мембрану накладывают на ра­зогретую заготовку (перфорированную или имеющую отверстия) и вместе с ней зажимают в рамке, а затем формуют сжатым возду­хом (резиновая мембрана герметизирует отверстия заготовки).