Zgrzewanie tworzyw sztucznych - membrany PEHD, PVC, EPDM

Metody łączenia elementów wykonanych z tworzyw termoplastycznych, które są niezbędne do uzyskania trwałych połączeń o wysokiej jakości i efektywności, obejmują techniki spawania. Wykorzystanie techniki spawania pozwala na szybkie i stosunkowo ekonomiczne uzyskanie końcowych produktów z pożądanymi parametrami użytkowymi.

Jakie są metody zgrzewania tworzyw sztucznych? Jak zgrzewa się membrany PEHD, PVC, EPDM?

Spawanie geomembran, membran dachowych i innych polega na dostarczaniu ciepła do obszarów łączenia materiałów oraz spoiwa w celu ich rozmiękczania (uplastycznienia) a następnie docisku spoiwa do obszarów łączenia. W trakcie procesu spawania, makrocząsteczki dyfundują między rozmiękczonym materiałem łączonym a spoiną, tworzącpo schłodzeniu trwałe połączenie kohezyjne. Właściwą dyfuzję zapewnia odpowiednia ruchliwość łańcuchów dyfundujących, dlatego konieczne jest, aby materiał łączony i spoiwo miały zbliżone temperatury topnienia oraz zbliżoną strukturę chemiczną. Większości termoplastów nie da się mieszać termodynamicznie, dlatego spoiwo musi być wykonane z tego samego polimeru co materiał łączony.

Jednakże, termoplasty o właściwościach takich jak podatność na degradację termooksydacyjną, skłonność do degradacji termicznej i wysoki wskaźnik szybkości płynięcia (MFR) w stanie rozmiękczonym mogą stanowić wyzwanie lub w ogóle nie nadawać się do łączenia ich technikami spawania.

W technikach spawania, podgrzewanie jest realizowane za pomocą strumienia gorącego gazu, zwykle powietrza (w przypadku materiałów wrażliwych na termooksydację używa się azotu lub argonu). Wytrzymałość mechaniczną spoiny mierzy się jako stosunek wytrzymałości na rozciąganie spoiny do wytrzymałości materiału pierwotnego (niepołączonego). Wytrzymałość względna spoin zazwyczaj mieści się w zakresie od 50% do 90%, w zależności od rodzaju materiału i techniki spawania. Spoiny wykonane przy użyciu automatów spawalniczych zazwyczaj charakteryzują się większą wytrzymałością niż te wykonywane ręcznie. W technikach spawania tworzyw sztucznych wyróżnia się dwa rodzaje spoin: czołowe (spoiwo wprowadza się między powierzchnie styku elementów) oraz pachwinowe (spoiwo wprowadza się obok obszaru styku elementów). Możliwe jest także wykonywanie spoin mieszanych, łączących cechy spoin czołowych i pachwinowych. Do łączenia termoplastów za pomocą technik spawania stosuje się najczęściej dwie metody: spawanie drutem (ang. welding wire), które jest również nazywane spawaniem prętem, oraz spawanie ekstruzyjne (ang. extrusion welding).

Spawanie drutem-prętem
Proces spawania drutem-prętem polega na używaniu materiału łączącego, który zazwyczaj jest wykonany z tego samego tworzywa, co elementy łączone. Materiał ten ma zwykle okrągły lub trójkątny przekrój o szerokości między 3 a 7 mm. W trakcie spawania drutem, powierzchnie elementów łączonych oraz materiał spoiwa w postaci drutu lub pręta stają się plastyczne pod wpływem gorącego gazu. Następnie ręcznie lub za pomocą stopki dyszy spawalniczej tworzona jest spoina. Aby połączyć grubsze elementy, może być konieczne zastosowanie większej ilości ściegów. W przypadku braku dyszy spawalniczej, możliwe jest wykonywanie spoin wahadłowych (tzw. spawaniem wachlarzowym) bez użycia dyszy, jednak taka metoda jest znacznie mniej wydajna (około 10 razy wolniejsza). Podczas spawania drutem ważna jest właściwie dobrana temperatura gorącego gazu, równomierne tempo spawania oraz nacisk, aby uzyskać odpowiednią ilość materiału nadlew-wypływka, co jest kluczowe dla jakości spoiny. Zarówno materiał łączony, jak i drut spawalniczy, muszą być w podobnym stanie plastyczności, inaczej dyfuzja nie zachodzi, a spoina będzie wadliwa. Należy zaznaczyć, że temperatura, którą osiągnie tworzywo podczas spawania, zależy zarówno od temperatury gazu, jak i od tempa spawania, czyli czasu, przez jaki gorący gaz oddziałuje na tworzywo. Przy wyższym tempie spawania temperatura gazu powinna być wyższa niż przy niższym tempie spawania.


Spawanie ekstruzyjne
Spawanie ekstruzyjne (wytłocznym) polega na wytłaczaniu plastycznego spoiwa z wytłaczarki i formowaniu spoiny przy użyciu specjalnej głowicy, zwanej butem spawalniczym, między rozmiękczonymi powierzchniami łączonymi pod wpływem gorącego gazu. Dzięki tej metodzie można wykonywać spoiny o większej grubości w jednym przejściu. Spawanie ekstruzyjne jest bardziej wydajne niż spawanie drutem. Wybór metody łączenia zależy od kształtu łączonych elementów, ich zastosowania, warunków eksploatacji oraz właściwości fizycznych i chemicznych materiałów, które mają zostać połączone.

Zgrzewanie tworzyw sztucznych

Zgrzewanie tworzyw sztucznych to proces łączenia elementów wykonanych z tworzyw termoplastycznych, w którym plastyczność powierzchni łączonych elementów jest osiągana poprzez podgrzewanie ich pod wpływem podwyższonej temperatury i dociskanie ich do siebie. Po schłodzeniu powstaje trwałe złącze. Ciepło potrzebne do plastycznego stanu materiału może być dostarczane z zewnątrz lub wytworzone wewnątrz materiału, w zależności od techniki zgrzewania. Łańcuchy polimerowe na powierzchni łączonych materiałów przeplatają się wzajemnie w wyniku procesu dyfuzji. Po schłodzeniu splątane makrocząsteczki tworzą trwałe połączenie. Wytrzymałość złącza zależy od temperatury, czasu działania ciepła, nacisku i czasu trwania docisku, co różni się w zależności od wybranej metody zgrzewania.

Ile kosztuje zgrzewanie geomembrany?

• Zapytaj o cenę wykonania usługi -> Układanie i spawanie geomembrany
   

Metody zgrzewania tworzyw sztucznych

Istnieje kilka głównych metod zgrzewania, które można podzielić ze względu na sposób dostarczania ciepła:

Nagrzewanie od zewnętrznej strony łączonych elementów:

• Zgrzewanie kontaktowe

• Zgrzewanie impulsowe

Nagrzewanie od wewnętrznej strony łączonych elementów:

• Zgrzewanie gorącym powietrzem

• Zgrzewanie gorącym klinem

• Zgrzewanie gorącą płytą

• Zgrzewanie tarciowe

• Zgrzewanie wibracyjne

• Zgrzewanie laserowe

• Zgrzewanie mufowe (polidyfuzyjne)

Nagrzewanie wewnętrzne:

• Elektrooporowe

• Zgrzewanie prądami wysokiej częstotliwości

• Zgrzewanie mikrofalami

• Zgrzewanie ultradźwiękowe

Zgrzewanie kontaktowe
Zgrzewanie kontaktowe polega na dociskaniu elementów, przede wszystkim folii, wobec siebie za pośrednictwem gorących elektrod lub przez połączenie gorącej elektrody z zimną elektrodą. Elektrody są podgrzewane przez przepływ prądu elektrycznego przez elementy elektrooporowe. Aby uniknąć przywierania stopionego materiału do elektrod, pokrywa się je warstwą politetrafluoroetylenu (PTFE), powszechnie znanego jako Teflon, lub tkaniną szklaną nasączoną PTFE. Elektrody pozostają gorące przez cały proces. W przypadku spajania folii, często stosuje się zgrzewanie kontaktowe w taki sposób, że podczas procesu następuje przecięcie z jednoczesnym połączeniem przeciętych krawędzi.

Zgrzewanie impulsowe
Zgrzewanie impulsowe polega na ściśnięciu elementów, przede wszystkim folii, między elektrodami, które następnie, w wyniku krótkiego impulsu prądu elektrycznego, szybko się nagrzewają, a potem równie szybko chłodzą. Czas trwania impulsu wynosi od 0,1 do około 3 sekund, zależnie od grubości materiału. Impuls prądowy nie nagrzewa całej elektrody, lecz jedynie cienką taśmę elektrooporową znajdującą się pod elektrodą, zabezpieczoną tkaniną szklaną nasączoną PTFE. Po zakończeniu impulsu ciepło jest usuwane za pomocą masywnej elektrody stalowej, która może być dodatkowo chłodzona. Zaletą tej metody zgrzewania impulsowego jest chłodzenie złącza podczas docisku, co eliminuje ryzyko jego uszkodzenia przed całkowitym schłodzeniem. To jest cechą, którą nie posiada zgrzewanie kontaktowe. Metoda ta jest szeroko stosowana do łączenia opakowań foliowych jednocześnie z ich napełnianiem.

Zgrzewanie gorącym powietrzem
Zgrzewanie gorącym powietrzem polega na podgrzaniu wewnętrznych powierzchni łączonych materiałów za pomocą gorącego powietrza i dociskaniu ich do siebie. Parametrami kontrolującymi ten proces są temperatura wypływającego powietrza, ciśnienie, prędkość przemieszczania się materiałów oraz nacisk. Zwykle docisk osiąga się za pomocą elastycznego wałka, co pozwala na zgrzewanie powierzchni o nieregularnym kształcie. Metoda ta jest efektywna i umożliwia szybkie łączenie materiałów z prędkością do 15 m/min.

Zgrzewanie gorącym klinem
W tej metodzie zgrzewania krawędzie łączonych elementów są uplastyczniane za pomocą gorącego klinu metalowego, a następnie dociskane do siebie za pomocą walcowej rolki. Ta technika jest podobna do zgrzewania gorącym powietrzem i stosuje się ją do spajania folii oraz cienkich płyt, na przykład z PE, PVC lub PMMA.

Metoda zgrzewania gorącą płytą polega na dociśnięciu powierzchni łączonych do płaskiego, nagrzanego elementu w celu uplastycznienia materiału. Po usunięciu płyty, powierzchnie te zostają dociśnięte do siebie. Ważnymi parametrami tego procesu są: temperatura płyty, czas docisku do płyty, siła docisku, czas docisku powierzchni łączonych i nacisk. W wyniku tego procesu powstają dwie symetryczne wypukłości lub wałeczki wydobyte z materiału łączonych powierzchni. Tą techniką masowo tworzy się połączenia rur i płyt z tworzyw sztucznych termoplastycznych, takich jak PEHD i PP. Zgrzewanie gorącą płytą znajduje szerokie zastosowanie w łączeniu rur przeznaczonych do przesyłu wody, gazu i innych mediów. Najczęściej używa się go do rur wykonanych z PEHD i PP. Ta metoda jest także powszechnie wykorzystywana w produkcji okien i drzwi z PVC. Dodatkowo, zgrzewanie gorącą płytą jest używane do łączenia płyt w budowie zbiorników i instalacji chemicznych.

Metoda zgrzewania tarciowego polega na uzyskaniu ciepła niezbędnego do uplastycznienia materiału poprzez wzajemne tarcie łączonych powierzchni przy jednoczesnym docisku ich do siebie. Po osiągnięciu odpowiedniej temperatury, operację tarcia przerywa się, pozostawiając jedynie docisk. Zgrzewanie tarciowe jest wykonywane przy użyciu specjalnie przystosowanych tokarek, które pozwalają na łączenie rur. Ta metoda doskonale sprawdza się w przypadku twardych termoplastów, które są podatne na utlenianie w podwyższonej temperaturze. Zgrzewanie tarciowe odbywa się praktycznie bez dostępu powietrza do uplastycznionego tworzywa. Jest to skuteczna metoda do zgrzewania tworzyw, takich jak PA, które są twarde i podatne na utlenianie w podwyższonej temperaturze.

Zgrzewanie wibracyjne to odmiana zgrzewania tarciowego, w której ciepło do uplastycznienia materiału jest wytwarzane poprzez wibracje łączonych powierzchni. Jedno z łączonych elementów jest nieruchome, podczas gdy drugie wprowadza się w drgania, jednocześnie wywierając docisk. Częstotliwość stosowana w tej metodzie wynosi zazwyczaj od 100 do 280 Hz. Elementy, które są zgrzewane, mogą mieć różny kształt, a względne przemieszczenie zgrzewanych części może być liniowe lub kątowe. Powierzchnie elementów, które się wibracyjnie zgrzewają, ulegają uplastycznieniu w ciągu 2-3 sekund, a po ustaniu drgań dochodzi do ich zestalenia pod odpowiednim dociskiem. Ta metoda jest stosowana do łączenia większych elementów, takich jak zbiorniki na paliwo do samochodów.

Zgrzewanie laserowe to proces, w którym uplastycznienie łączonych powierzchni jest rezultatem absorpcji promieniowania laserowego. Interakcja promienia lasera z makrocząstkami polimeru powoduje wzrost drgań cząsteczek i podniesienie temperatury tworzywa. W przypadku tworzyw, które słabo absorbują promieniowanie laserowe, stosuje się dodatki absorbujące promieniowanie laserowe, które są wprowadzane wcześniej do tworzywa. Przy użyciu lasera można wykonać połączenia doczołowe, nagrzewając laserem oddalone od siebie powierzchnie, które mają być zgrzane, a następnie dociskając je do siebie, podobnie jak w przypadku zgrzewania gorącą płytą. Inną metodą zgrzewania za pomocą lasera jest łączenie elementów, z których jeden przepuszcza promieniowanie, podczas gdy drugi je absorbuje. Oba elementy są zwykle wykonane z tego samego polimeru, ale jeden z nich ma dodatek, który absorbuje promieniowanie laserowe. Promień lasera przechodzi przez jeden materiał, a na styku elementów dochodzi do absorpcji promieniowania i zgrzania.

Zgrzewanie mufowe (polidyfuzyjne) to metoda stosowana wyłącznie do łączenia rur. W tej technice łączenie rur odbywa się poprzez zastosowanie specjalnych kształtek, zwanych mufami. Nie bezpośrednio łączy się rurę z rurą. Zamiast tego, miejsce zgrzania znajduje się na wewnętrznej powierzchni mufy i zewnętrznej rury. Nagrzewanie odbywa się na narzędziach pokrytych np. teflonem, aby uniknąć przywierania do elementów grzejnych. Narzędzie to ma formę nagrzanego trzpienia od jednej strony i rury od drugiej. Na narzędziu jednocześnie umieszcza się mufę i rurę. Po podgrzaniu elementów, narzędzie jest usuwane, a rurę wkłada się natychmiast do mufy i dokonuje zgrzania. Ta metoda jest coraz bardziej popularna w instalacjach wodnych w gospodarstwach domowych z rur PE i PP.

Zgrzewanie elektrooporowe jest niemal identyczne z zgrzewaniem mufowym, z tą różnicą, że nie nagrzewa się powierzchni łączonych za pomocą narzędzi grzewczych. Kształtki (mufy) posiadają wtopiony drut elektrooporowy w ściankach. Po umieszczeniu rur w mufie, prąd elektryczny jest przepuszczany przez drut, co powoduje rozgrzanie drutu i otaczającego go polimeru. Zarówno wewnętrzna powierzchnia mufy, jak i zewnętrzna powierzchnia rury w mufie są podgrzewane. Następnie następuje zgrzanie powierzchni.

Zgrzewanie prądami wysokiej częstotliwości to metoda przeznaczona do tworzyw sztucznych o budowie polarnej i wysokim współczynniku stratności dielektrycznej, głównie do PVC. Możliwe jest także zgrzewanie ABS, PET, PUR, EVA i CA tą techniką. W wyniku działania pola elektromagnetycznego cząsteczki tworzywa są polaryzowane i poddawane cyklicznym przekształceniom dipolów na skutek zmiany biegunów przyłożonego napięcia, co powoduje tarcie wewnętrzne i nagrzewanie materiału. Górna elektroda ma kształt złącza, a dolna stanowi płytę. Wytrzymałość połączeń wykonanych tą metodą jest bardzo wysoka i wynosi nawet do 99%, ze względu na wzmacniający efekt ruchu dipoli i przemieszania łańcuchów polimerów w złączu. Metodą tą zgrzewa się często elementy wyposażenia samochodowego i materiały obiciowe wykonane z tworzyw, takie jak sztuczna skóra PVC.

Zgrzewanie mikrofalami to metoda podobna do zgrzewania prądami wysokiej częstotliwości, ale różniąca się częstotliwością pola elektromagnetycznego, która wynosi od 0,3 do 300 GHz, oraz długością fal elektromagnetycznych.

Zgrzewanie ultradźwiękowe polega na wprowadzeniu materiału łączonego w drgania o częstotliwościach ultradźwiękowych, zazwyczaj wynoszących od 20 do 40 KHz, co powoduje wydzielenie ciepła w miejscu styku materiałów. Ciepło generowane jest przez wewnętrzne tarcie na skutek wysokich naprężeń zmieniających się w czasie oraz odkształceń w miejscu styku. Ta technika pozwala na trwałe łączenie różnych materiałów, takich jak tworzywa sztuczne, metale, drewno, szkło itp. Kleje używane w tej metodzie to zazwyczaj polimery zawierające rozpuszczalniki, napełniacze, utwardzacze, plastyfikatory, stabilizatory i inne dodatki. Kleje można podzielić na kilka rodzajów ze względu na sposób utwardzania, takie jak rozpuszczalnikowe, reaktywne i termotopliwe, zależnie od tego, czy utwardzają się przez odparowanie rozpuszczalnika, reakcje chemiczne lub obniżenie temperatury. Klejenie umożliwia trwałe łączenie materiałów o różnych właściwościach, co czyni ją wszechstronną metodą łączenia.