Таблица температур термосваривания пленок LDPE HDPE PP PET: параметры и дефекты

Таблица 1: Температурные режимы термосваривания различных типов пленок

Таблица 2: Параметры процесса термосваривания

Таблица 3: Характеристики типов швов

Таблица 4: Прочность швов для различных материалов

Таблица 5: Распространенные дефекты сварки и их причины

Содержание статьи

Физико-химические основы термосваривания полимерных пленок

Термосваривание представляет собой процесс соединения термопластичных полимерных материалов путем нагрева и приложения давления, приводящий к образованию неразъемного соединения. Физическая сущность процесса заключается в нагреве полимера до вязкотекучего состояния, при котором макромолекулы приобретают достаточную подвижность для взаимной диффузии через границу раздела между свариваемыми слоями.

При достижении температуры начала сварки происходит частичное плавление поверхностных слоев полимера. Под действием приложенного давления расплавленный материал течет, заполняя микронеровности и обеспечивая тесный молекулярный контакт между соединяемыми поверхностями. Молекулярные цепи полимера начинают диффундировать через границу раздела, образуя межмолекулярные связи и создавая единую структуру.

Качество сварного соединения зависит от трех взаимосвязанных параметров: температуры, времени контакта и давления. Недостаточный нагрев приводит к неполному расплавлению поверхностных слоев и слабому шву. Избыточная температура вызывает термическую деградацию полимера, выдавливание расплава из зоны сварки и деформацию структурных слоев многослойных пленок.

Современные исследования показывают, что температура и время взаимозаменяемы в определенных пределах: повышение температуры позволяет сократить время контакта, и наоборот. Однако существуют ограничения, связанные с термической стабильностью полимера и риском повреждения других слоев в многослойных структурах.

Температурные режимы для различных типов полимеров

Полиэтилен низкой плотности (LDPE)

Полиэтилен низкой плотности является наиболее распространенным материалом для сварных слоев благодаря широкому окну свариваемости и хорошим технологическим свойствам. Температурный диапазон термосваривания LDPE составляет 100-120°C при оптимуме около 110°C. Температура плавления кристаллической фазы находится в пределах 105-115°C.

LDPE характеризуется разветвленной структурой макромолекул с длинными боковыми цепями, что обеспечивает низкую степень кристалличности и широкое распределение кристаллитов по размерам. Это создает плавный переход из твердого состояния в расплав и широкое окно обработки.

Линейный полиэтилен низкой плотности (LLDPE)

LLDPE имеет более узкое температурное окно сварки по сравнению с LDPE, составляющее 110-130°C с оптимумом 120°C. Температура плавления 115-125°C. LLDPE характеризуется линейной основной цепью с короткими боковыми ответвлениями, что обеспечивает более высокую степень кристалличности и более четкую температуру плавления.

Особенностью LLDPE является более низкая температура инициации сварки и повышенная прочность шва по сравнению с LDPE при тех же условиях обработки. Металлоценовые катализаторы позволяют получать сополимеры с улучшенными характеристиками hot tack и способностью к герметизации через загрязнения.

Полипропилен (PP) и литой полипропилен (CPP)

Полипропилен требует более высоких температур сварки в диапазоне 130-155°C с оптимумом 140°C. Температура плавления кристаллической фазы составляет 160-171°C для изотактического полипропилена. PP обладает высокой термостойкостью, что делает его популярным выбором для упаковки горячих продуктов и стерилизуемой упаковки.

Литой полипропилен (CPP) имеет диапазон температур сварки 130-150°C с оптимумом 140°C и температуру плавления 146-165°C в зависимости от степени кристалличности. CPP широко используется в многослойных структурах в качестве сварного слоя благодаря хорошей свариваемости, отличной прозрачности и меньшей усадке при нагреве по сравнению с ориентированным PP.

Полиэтилентерефталат (PET)

PET в чистом виде не является термосвариваемым материалом из-за высокой температуры плавления 250-260°C и химической инертности поверхности. Для обеспечения свариваемости на PET наносят покрытие из материалов с низкой температурой плавления, таких как LDPE, EVA или специальные сополиэфиры. Эффективная температура сварки для покрытого PET составляет 200-240°C в зависимости от типа покрытия.

Полиамид (PA)

Полиамид является высокобарьерным материалом, требующим температур сварки в диапазоне 180-220°C. Температура плавления PA6 составляет около 220°C, PA66 около 260°C. Полиамид склонен к поглощению влаги, что влияет на температурные характеристики и требует контроля условий хранения.

Технологические параметры процесса термосваривания

Время контакта (Dwell Time)

Время контакта представляет собой период, в течение которого нагретые сварочные планки находятся в контакте с пленкой под давлением. Типичный диапазон составляет 0,5-2,0 секунды. Время контакта определяется скоростью линии и долей цикла, занимаемой процессом сварки.

При коротком времени контакта требуется более высокая температура для достижения необходимой прочности шва. При длительном времени контакта можно использовать более низкие температуры, что снижает риск термического повреждения структурных слоев. Однако избыточное время контакта может привести к деградации полимера и снижению производительности оборудования.

Давление прижима

Давление прижима обеспечивает плотный контакт между свариваемыми поверхностями и способствует вытеканию расплавленного полимера для заполнения микронеровностей и пустот. Типичный диапазон давления составляет 0,5-3,0 бар, с оптимальными значениями 1,5-2,0 бар для большинства применений.

Исследования показывают, что влияние давления на прочность шва менее значительно по сравнению с температурой и временем, при условии, что давление превышает пороговое значение около 1,25 бар. Однако недостаточное давление приводит к образованию каналов утечки в складках и местах с неровной поверхностью. Избыточное давление вызывает выдавливание расплава из зоны сварки и может повредить сварочные планки или пленку.

Скорость линии и производительность

Скорость упаковочной линии напрямую связана с временем контакта через соотношение: время контакта = (60 / производительность) × доля цикла сварки. Современные вертикальные упаковочные машины работают со скоростью 20-100 м/мин при производительности 20-100 упаковок в минуту в зависимости от размера упаковки и сложности продукта.

Повышение скорости линии требует точного контроля всех параметров процесса, включая температуру с точностью ±1°C, синхронизацию движения сварочных планок и охлаждение шва. Современные машины используют PID-регуляторы температуры для поддержания стабильных условий сварки при высоких скоростях.

Охлаждение и hot tack

После удаления сварочных планок шов должен охладиться до температуры, при которой он приобретает достаточную прочность для выдерживания нагрузок. Характеристика hot tack описывает прочность шва при температурах выше комнатной, в процессе охлаждения.

Недостаточное охлаждение приводит к раскрытию шва под действием веса продукта или внутреннего давления в упаковке. Для обеспечения достаточного охлаждения применяют охлаждаемые планки с циркуляцией воды или воздушное охлаждение. Время охлаждения обычно составляет 0,5-1,5 секунды в зависимости от толщины пленки и условий процесса.

Типы швов и их конструктивные особенности

Плавниковый шов (Fin Seal)

Плавниковый шов создается путем соединения внутренних поверхностей пленки с образованием вертикального выступа, напоминающего плавник. Этот тип шва широко применяется в вертикальных упаковочных машинах формования-наполнения-запечатывания благодаря простоте исполнения и высокой надежности.

Преимущества плавникового шва включают высокую прочность соединения, универсальность в отношении материалов и возможность работы с пленками, имеющими сварной слой только на внутренней поверхности. Выступающий шов обеспечивает визуальный индикатор целостности упаковки и затрудняет несанкционированное вскрытие.

Недостатком является больший расход материала по сравнению со швом внахлест, составляющий приблизительно удвоенную ширину шва на каждую упаковку. Выступающий шов может создавать сложности при укладке упаковок на полках и в транспортной таре.

Шов внахлест (Lap Seal)

Шов внахлест формируется путем наложения одного края пленки на другой с последующим соединением внешней поверхности одного слоя с внутренней поверхностью другого. Этот метод обеспечивает плоское соединение без выступающих элементов.

Основным преимуществом является экономия материала, составляющая около одной ширины шва на упаковку, что при массовом производстве дает существенное снижение затрат. Плоская поверхность улучшает эстетический вид упаковки и обеспечивает максимальную площадь для размещения графики.

Ограничением lap seal является требование наличия термосваривающегося слоя на обеих сторонах пленки, что сужает выбор материалов. Прочность шва внахлест обычно на 10-20% ниже по сравнению с плавниковым швом той же ширины из-за меньшей площади контакта.

Плоский шов (Flat Seal)

Плоский шов используется преимущественно в термоформованной упаковке, где крышка из гибкой пленки приваривается к фланцу жесткого лотка или стакана. Этот тип соединения требует точного совмещения поверхностей и равномерного распределения давления по всей площади шва.

Особенностью плоского шва является необходимость компенсации теплоотвода в массивный фланец лотка, что требует более высоких температур или увеличенного времени контакта по сравнению со сваркой гибких пленок. Ширина плоского шва обычно составляет 3-5 мм для обеспечения надежной герметизации.

Краевой усиленный шов (Edge Weld Seal)

Краевой усиленный шов применяется в специализированных применениях, требующих повышенной прочности и улучшенных изоляционных свойств. Конструкция предусматривает создание многослойного соединения с герметизацией краев, что предотвращает расслоение и обеспечивает повышенную устойчивость к механическим воздействиям.

Этот тип шва находит применение в упаковке термочувствительных продуктов, таких как шоколад, где улучшенная изоляция помогает поддерживать стабильную температуру внутри упаковки. Также краевой шов используется в медицинской упаковке для обеспечения стерильности содержимого.

Прочностные характеристики сварных соединений

Методы измерения прочности шва

Прочность сварного шва определяется стандартизированными методами испытаний, наиболее распространенным из которых является ASTM F88. Метод заключается в отрезании полоски шириной 15 мм или 25 мм (или 1 дюйм) перпендикулярно направлению шва и последующем разрыве образца на испытательной машине со скоростью 200-300 мм/мин.

Различают три конфигурации испытания: Т-образный отрыв с несупортированными хвостами, 90-градусный отрыв с поддержкой одной стороны и 180-градусный отрыв с полной поддержкой образца. Выбор метода зависит от типа упаковки и условий ее реального использования.

Результаты испытаний представляются в виде максимальной силы отрыва и средней силы отрыва, рассчитанной для центральной части кривой нагрузки. Значения выражаются в ньютонах на единицу ширины образца, например Н/15мм для стандартной ширины образца 15 мм.

Типичные значения прочности

Прочность сварного шва для различных полимеров варьируется в широких пределах. Для LDPE пленки толщиной 50 мкм типичная прочность fin seal составляет 8-12 Н/15мм. LLDPE обеспечивает более высокую прочность 12-16 Н/15мм благодаря улучшенным механическим свойствам.

Многослойные структуры с барьерными слоями демонстрируют различную прочность в зависимости от композиции. Структура PA/PE для вакуумной упаковки мясных продуктов показывает прочность 16-22 Н/15мм, что обеспечивает надежность при внутреннем разрежении. Металлизированные пленки обычно имеют несколько сниженную прочность 10-14 Н/15мм из-за присутствия металлического слоя.

Режимы разрушения шва

При испытаниях наблюдаются различные режимы разрушения, которые указывают на характер сварного соединения. Когезионное разрушение происходит внутри сварного слоя и свидетельствует о правильно выполненной сварке, при которой прочность шва соответствует прочности материала.

Адгезионное разрушение происходит по границе раздела между свариваемыми слоями и указывает на недостаточную температуру сварки, короткое время контакта или несовместимость материалов. Такой тип разрушения характерен для холодных швов и является нежелательным.

Смешанное разрушение сочетает элементы когезионного и адгезионного разрушения и часто наблюдается при работе на границе температурного окна свариваемости. Разрушение базового материала вне зоны шва указывает на избыточную прочность соединения и является оптимальным результатом.

Факторы, влияющие на прочность шва

Прочность сварного соединения зависит от множества факторов, включая параметры процесса, свойства материалов и условия эксплуатации. Повышение температуры сварки увеличивает прочность шва до достижения температуры плато, после чего дальнейший нагрев может привести к снижению прочности из-за деградации полимера.

Увеличение времени контакта обеспечивает более полную диффузию макромолекул через границу раздела и повышает прочность шва. Однако избыточное время может вызвать окисление и термическое разложение материала. Давление прижима оказывает меньшее влияние на прочность при условии превышения порогового значения, но критично для заполнения неровностей и вытеснения воздуха.

Толщина пленки влияет на прочность шва через площадь материала, участвующего в сварке. Более толстые пленки требуют больше энергии для прогрева, но обеспечивают более прочное соединение. Ориентация пленки влияет на механические свойства: ориентированные пленки демонстрируют анизотропию прочности в продольном и поперечном направлениях.

Дефекты термосварки и методы их предотвращения

Холодный шов (Cold Seal)

Холодный шов образуется при недостаточной температуре сварки или слишком коротком времени контакта. Внешне такой шов может выглядеть приемлемо, но его прочность значительно ниже номинальной. Полимер не достигает достаточной степени расплавления, и диффузия макромолекул через границу раздела остается неполной.

Последствия холодного шва включают разрушение упаковки при транспортировке, потерю герметичности и проникновение влаги и кислорода к продукту. Для предотвращения необходимо повысить температуру на 5-10°C или увеличить время контакта на 0,2-0,3 секунды. Также следует проверить равномерность нагрева сварочных планок и отсутствие теплоотводящих загрязнений.

Морщины и складки в зоне шва

Морщины образуются из-за неравномерного натяжения пленки, статического электричества или неправильной настройки направляющих роликов. Складки создают каналы в структуре шва, через которые возможна утечка содержимого или проникновение внешних загрязнений.

Исследования показывают, что для надежной герметизации морщин требуется давление не менее 1,8 Н/мм² и достаточная текучесть расплавленного полимера для заполнения образующихся пустот. Методы предотвращения включают регулировку натяжения пленки, использование антистатических устройств и проверку состояния всех роликов и направляющих в тракте подачи пленки.

Прожог и термическое повреждение

Прожог пленки происходит при избыточной температуре или слишком длительном времени контакта. Симптомы включают отверстия в зоне шва, обугливание материала, изменение цвета и запаха. Прожог полностью разрушает герметичность упаковки и делает ее непригодной для использования.

Для предотвращения прожога необходимо снизить температуру на 10-15°C или сократить время контакта. Следует проверить точность термопар и калибровку регуляторов температуры. Неравномерный прогрев сварочных планок может вызывать локальные перегревы даже при правильной средней температуре.

Деформация и усадка

Деформация пленки вблизи шва проявляется в виде стянутых краев, волнистости и потери плоскостности. Причиной является работа на верхней границе температурного окна, где происходит усадка ориентированных пленок и релаксация внутренних напряжений.

Ориентированные пленки, такие как BOPP и BOPET, особенно склонны к усадке при нагреве. Температура выше 140°C для OPP и 200°C для PET может вызвать значительную усадку и деформацию. Решением является снижение температуры, использование пленок с меньшей усадкой или изменение конструкции упаковки.

Выдавливание сварного слоя (Squeeze-out)

Выдавливание расплавленного полимера из зоны сварки происходит при комбинации высокой температуры и избыточного давления. При этом вязкость расплава экспоненциально снижается, и материал выдавливается по краям шва, оставляя тонкий слой с недостаточной прочностью.

Для предотвращения необходимо снизить давление или температуру, либо сократить время контакта. Использование полимеров с более широким температурным окном обработки также помогает избежать этой проблемы. Металлоценовые полиэтилены демонстрируют лучшее поведение при высоких температурах благодаря узкому молекулярно-массовому распределению.

Каналы утечки и негерметичность

Каналы утечки образуются в местах, где сварной слой не заполнил полностью пустоты между свариваемыми поверхностями. Причинами могут быть складки, недостаточное давление, загрязнения в зоне шва или слишком низкая температура.

Методы обнаружения каналов включают визуальный осмотр, пузырьковые испытания, испытания внутренним давлением и ультразвуковой контроль. Для предотвращения необходимо увеличить давление, повысить температуру для улучшения текучести расплава, устранить источники загрязнений и использовать материалы с улучшенной способностью сварки через загрязнения.

Проблемы hot tack

Недостаточная прочность шва до полного охлаждения приводит к раскрытию упаковки на высокоскоростных линиях. Сразу после удаления сварочных планок полимер находится в размягченном состоянии и не может выдерживать нагрузки от веса продукта или внутреннего давления.

Решения включают увеличение времени охлаждения, применение охлаждаемых планок с водяным или воздушным охлаждением, снижение скорости линии для обеспечения достаточного времени застывания. Металлоценовые полимеры и специальные сополимеры обеспечивают улучшенные характеристики hot tack по сравнению с традиционными материалами.

Современное оборудование и контроль качества

Типы упаковочного оборудования

Современные упаковочные линии включают вертикальные машины формования-наполнения-запечатывания, горизонтальные машины и специализированное оборудование для термоформования. Вертикальные машины работают с рулонной пленкой, формируя трубку вокруг формовочной трубы, создавая вертикальный шов fin seal или lap seal и поперечные швы для формирования дна и верха упаковки.

Горизонтальные машины используются для продуктов, которые не могут свободно падать в упаковку, таких как батончики, печенье и другие твердые изделия правильной формы. Продукты подаются на конвейере, оборачиваются пленкой и запечатываются с формированием швов со всех сторон.

Системы контроля температуры

Точный контроль температуры является критическим фактором для обеспечения качества сварки. Современное оборудование использует PID-регуляторы с точностью поддержания температуры ±1°C. Это особенно важно для работы с мономатериальными пленками и рециклируемыми материалами, имеющими узкое температурное окно обработки.

Старые машины с простыми включающимися-выключающимися контроллерами, допускающими колебания температуры ±5°C, не способны обеспечить стабильное качество при работе с современными материалами. Замена системы управления температурой часто является необходимым условием для перехода на экологически чистую упаковку.

Методы контроля качества швов

Контроль качества сварных швов включает разрушающие и неразрушающие методы испытаний. Разрушающие методы, такие как испытания по ASTM F88, проводятся на выборочных образцах и определяют прочность шва. Результаты используются для валидации процесса и установления параметров технологического окна.

Неразрушающие методы позволяют контролировать каждую упаковку без ее повреждения. К ним относятся визуальный осмотр, пузырьковые испытания, испытания внутренним давлением, ультразвуковой контроль и инфракрасная термография. Современные производственные линии оснащаются автоматическими системами контроля, способными обнаруживать дефекты размером от 10 мкм.

Оптимизация параметров сварки

Оптимизация процесса термосварки требует систематического подхода с использованием метода поверхности отклика или дизайна экспериментов. Определяются границы технологического окна - диапазоны температуры, времени контакта и давления, обеспечивающие требуемое качество шва.

Процесс оптимизации начинается с выбора материала и определения температуры инициации сварки при заданном времени контакта. Затем исследуется влияние времени на прочность шва при различных температурах. Строятся карты технологического окна, показывающие области с приемлемым качеством шва.

Конечной целью является нахождение оптимальной точки, обеспечивающей баланс между качеством шва, производительностью оборудования, энергопотреблением и устойчивостью к вариациям процесса. Современные подходы используют многокритериальную оптимизацию по Парето для учета всех противоречивых требований.

Перспективы развития технологии

Текущие тенденции в области термосварки упаковочных пленок связаны с переходом на мономатериальные рециклируемые структуры, снижением температур обработки для экономии энергии и разработкой биоразлагаемых материалов. Металлоценовые катализаторы позволяют получать полимеры с улучшенными характеристиками сварки и более широким технологическим окном.

Развитие систем контроля включает применение машинного зрения и искусственного интеллекта для автоматического обнаружения дефектов и прогнозирования качества. Индустрия 4.0 предполагает полную цифровизацию производства с непрерывным мониторингом всех параметров и автоматической коррекцией отклонений.

Часто задаваемые вопросы

Заключение и отказ от ответственности

Источники информации

При подготовке статьи использовались научные публикации и технические ресурсы из следующих авторитетных источников:

• ScienceDirect Topics - база данных научных статей по технологии термосварки полимеров и упаковочных материалов
• Wiley Online Library - рецензируемые публикации по упаковочным технологиям и науке включая журналы Packaging Technology and Science
• BioResources - исследовательские статьи по термосварке гибких упаковочных материалов
• Технические ресурсы производителей упаковочного оборудования включая рекомендации по оптимизации процессов термосварки
• Стандарты ASTM International включая ASTM F88 F1140 F1886 и F2054 по испытаниям упаковочных материалов
• Исследовательские публикации по физико-химическим основам термосварки полимеров
• Техническая документация производителей полимерных пленок по рекомендуемым режимам обработки

Все представленные в статье температурные режимы прочностные характеристики и технологические параметры основаны на данных из опубликованных научных исследований и технических спецификаций производителей. Конкретные значения могут варьироваться в зависимости от точного химического состава полимера условий обработки и конструкции оборудования.