Výběr druhu materiálu na desky pro tvarování termoplastů

10.2.6.2 Výběr druhu materiálu na desky pro tvarování termoplastů

Ing. Miloš Sova, CSc.

Tvarováním lze zpracovávat téměř všechny termoplasty, které jsou k dispozici ve formě fólií nebo desek. Jako fólie se označuje plošný útvar, jehož tloušťka zpravidla nepřesahuje 1 mm, deskou se rozumí rovinný výrobek omezených plošných rozměrů se stejnoměrnou tloušťkou větší než 1 mm. Pro potřeby tvarování však budou oba útvary společně označovány jako desky. Jejich tloušťka se obvykle pohybuje od 0,1 mm do 10 mm, výjimečně i více, např. 16 až 20 mm.

Desky pro tvarování musí splňovat tyto požadavky:

• musí mít hladký povrch, který může být lesklý nebo matný,

• nesmí obsahovat vzduchové bublinky nebo cizí pevné nečistoty, protože v těchto místech se materiál při tvarování snadno poruší a deska se roztrhne,

• tloušťka desek musí být po celé ploše stejná, ovšem s přihlédnutím k dosažitelným výrobním tolerancím,

• povrch desky musí být dostatečně odolný proti přehřívání a proti degradaci.

I když je snaha, aby prohřátí desky před vlastním tvarováním bylo v celé tloušťce co nejrovnoměrnější, z charakteru technologie vyplývá objektivně existující teplotní gradient mezi povrchem a vnitřními vrstvami desky. Rozložení teplot ve směru tloušťky dále závisí na tom, zda je deska ohřívána jen z jedné strany nebo z obou stran. Interval tvarovacích teplot má být u daného plastu dostatečně široký a teplota zahřáté desky musí odpovídat stavu, kdy materiál vykazuje vysokou tvarovatelnost, tj. schopnost přijmout trvale tvar podle modelu nebo formy a schopnost rovnoměrně se ztenčovat v celém efektivně využitelném objemu desky. Stupeň ztenčení, který je dán poměrem původní tloušťky desky před tvarováním a minimální dosažitelné tloušťky výtažku, závisí na druhu plastu, na podmínkách tvarování, především na teplotě materiálu a na způsobu tvarování. Při tvarování se nesmí limitní stupeň ztenčení překročit. Přes veškerá technická opatření je ale nutno počítat s určitými rozdíly v tloušťce stěny na výrobku. Maximální a minimální tloušťka se musí pohybovat ve sjednaných hranicích.

K nejčastěji používaným plastům používaným jako desky k tvarování patří styrénové plasty, polyolefiny, PVC, ať již měkčený nebo neměkčený, a jeho kopolymery, deriváty celulózy, polymethylmethakrylát a polykarbonát.

K tvarování se obvykle používají jednovrstvové desky vyrobené z jednoho druhu plastu vytlačováním na šnekových vytlačovacích strojích. Při stejných nebo velmi blízkých podmínkách se tvarují i desky vícevrstvové. Ty se vyrábějí koextruzí. Může se jednat buď o desky tvořené několika vrstvami jednoho druhu plastu, lišící se navzájem např. barvou, nebo o desky složené z vrstev více druhů plastů. Z hlediska tvarovacího procesu jsou jednodruhové desky příhodnější, desky z více druhů plastů kladou na technologii větší nároky.

Zajímavá je aplikace z polyethyléntereftalátu, PET. Ty se rovněž vyrábějí vytlačováním, přičemž jsou technologické podmínky nastaveny tak, že deska si zachová amorfní strukturu. Během tvarovacího procesu však naopak polymer zkrystalizuje. Tím se zvýší tuhost tvarovaných výlisků i jejich tepelná odolnost.

Styrénové plasty

Samotný standardní polystyrén, PS, se k tvarování příliš nepoužívá, i když jeho tvarovatelnost je velmi dobrá. Příčinou je především křehkost výrobků. Jako obalový materiál se častěji používá lehčený neboli pěnový polystyrén. Fólie z pěnového PS mívají různou úpravu povrchu. Jsou měkké a jemné a používají se k přepravě předmětů, které je nutno chránit před poškrábáním, např. skleněné výrobky pro optiku, nebo tam, kde se využije velmi nízká tepelná vodivost pěnového PS, kupř. ke skladování mražených pokrmů.

Naproti tomu houževnatý polystyrén, S/B, patří zejména v obalové technice k velmi běžným plastům. Proti PS je sice méně pevný, ale dobře odolává nárazu. Jeho menší odolnost vůči atmosférickému stárnutí není v případě obalů na závadu. Tvarovatelnost je výborná, interval tvarovacích teplot je dostatečně široký a doba ohřevu je velmi krátká. Desky se vyrábějí vytlačováním na šnekových vytlačovacích strojích. Fólie jsou velmi vhodné i pro kontinuální tvarování. Optimální tvarovací teplota je asi 130 °C, forma má mít teplotu asi 65 až 75 °C. Rychlost tvarování má být co nejvyšší. Tvarovací poměr, H/D nebo také V/D, kde H představuje hloubku a V výšku výlisku a D jeho horní průměr nebo u hranatých výlisků šířku, závisí na způsobu tvarování. U negativního tvarování to může být asi do 0,4, u pozitivního do 1,0, u kombinovaného s předtvarováním však až 2,5. Jestliže se na výliscích požaduje vysoká ostrost hran, doporučuje se pozitivní tvarování, při němž lze dosáhnout téměř stoprocentní ostrosti hran.

Z PS i S/B se vytlačováním vyrábějí i biaxiálně orientované fólie, a to tak, že vytlačená fólie se ještě v plastickém stavu vytahuje v podélném i příčném směru. Tyto fólie pak vykazují vyšší pevnost v obou směrech. V procesu tvarování se fólie během ohřívání nejdříve v důsledku teplotní roztažnosti silně prohýbá, avšak po dosažení tvarovací teploty se opět napne asi jako kůže na bubnu. To je optimální okamžik pro vlastní tvarování. Po vypnutí fólie je tedy nutno rychle odsát vzduch a tvarovat ji. V důsledku vysokého vnitřního pnutí není možné dosáhnout na výlisku ostrých hran, naopak je nutno počítat s jejich co největším zaoblením. Výtažky z orientovaných fólií vykazují ve srovnání s normálními deskami vyšší pevnost, ale hlavně vyšší odolnost proti nárazu.

Na výtažky větších rozměrů technického charakteru se také používají desky z terpolymeru ABS.

Polyolefiny

Z polyolefinů se na desky pro tvarování používá polyethylén a polypropylén.

Polyethylén se vyznačuje výbornou tvarovatelností. Protože se jedná o semikrystalický plast, je nutno počítat s dlouhou dobou na ohřev desky i na chlazení výlisku. Optimální tvarovací teplota je u PE - HD135 až 140 °C, u PE - LD asi 120 až 125 °C. Nejvhodnější teplota formy je mezi 75 a 80 °C. Velmi důležité je rovnoměrné zahřátí celé efektivní plochy desky, poněvadž nestejná teplota v různých místech desky je příčinou rozdílné tažnosti materiálu, což způsobuje velké technologické obtíže. Ohřívací zařízení má mít výkon alespoň 15 kW.m^-2. Při ohřevu se fólie nejprve začne vlnit, potom se prohýbá a ke konci ohřívání se opět napne. V tomto okamžiku je třeba fólii tvarovat. Desky s tloušťkou nad 0,5 mm je vhodné ohřívat z obou stran. Prohýbání desky během ohřevu lze zabránit vytvořením vzduchového polštáře, který desku zvedá. Protože má deska vysokou tepelnou kapacitu a pomalu chladne, je nutno řídit rychlost tvarování. V praxi to znamená používat malou tvarovací rychlost. S ohledem na rychlost chlazení výtažku je výhodnější tvarování pozitivní. Při chladnutí se totiž výlisek smršťuje na tvárník, čímž je usnadněn přestup tepla. Tento jev však současně zhoršuje podmínky pro snímání výlisku z tvárníku. Ty jsou nepříznivě ovlivňovány i malou tuhostí materiálu. Při optimálních podmínkách tvarování lze dosáhnout stoprocentní ostrosti hran.

Polypropylén, PP, má proti PE vyšší pevnost, tuhost a tvrdost, ale nižší houževnatost. Polyethylén předčí vyšší teplotní odolností, teplota tání je asi 165 °C. Při teplotách pod 0 °C se stává křehkým. Všechny tyto vlastnosti se pochopitelně přenášejí na výrobky zhotovené tvarováním. Desky vyráběné vytlačováním mají hladký a lesklý povrch, který je vůči odírání odolnější než u PE. K působení atmosférických vlivů je PP méně odolný než PE, stárnutí se projevuje zvýšenou křehkostí a lámavostí. Desky a zejména fólie z PP jsou také průhlednější. Má vynikající tvarovatelnost, která je ještě lepší než u PE. Optimální tvarovací teplota je asi 170 °C, forma má mít podle tvaru výlisku, podle tloušťky desky a způsobu tvarování teplotu 50 až 80 °C. Ohřívací zařízení má mít výkon aspoň 20 kW.m-2. Je nutno zaručit rovnoměrné prohřátí desky v celé efektivní ploše, k čemuž slouží odrazová zrcadla usměrňující tepelné záření do blízkosti upínacího rámu. Chování desky z PP během ohřevu je analogické jako u PE: Nejprve se deska vlní, potom se prohýbá, načež se zklidní a vyrovná. To je optimální okamžik pro tvarování. U fólií s tloušťkou větší než 0,3 mm se doporučuje oboustranný ohřev. To proto, že jako semikrystalický plast potřebuje k ohřevu podstatně více tepla než stejně tlustá fólie z amorfního plastu. Prohýbání desky vlastní tíhou během ohřevu je nutno zabránit vytvořením vzduchového polštáře. S ohledem na vysokou tepelnou kapacitu ohřáté fólie se musí používat jen malá tvarovací rychlost, která se reguluje podle tvaru výlisku. Osvědčuje se takový postup tvarování, při němž se fólie co nejrychleji zahřeje na tvarovací teplotu, načež se ohřívací zařízení vypne a odsune a několik sekund, např. 5 až 8, se vyčká a teprve pak se tvaruje vytvořením vakua. Dosažitelný tvarovací poměr H/D je 1,5. Tvarovací tlak 50 kPa, odpovídající 50% vakuu, již stačí k dosažení stoprocentní ostrosti hran. Kvůli urychlení chladnutí výlisků je stejně jako u PE výhodnější pozitivní tvarování. Smrštění u výlisků z PP je poněkud menší než u PE. Někdy působí problémy vyjímání výlisků z formy, protože PP má tendenci lepit se na…