Методы обработки листового полиэтилентерефталат-гликоля (ПЭТГ)

В на нашем сайте была опубликована статья о высокоударопрочном листовом полимерном материале полиэтилентерефталат-гликоле (ПЭТГ), успешно конкурирующем с таким популярным листовым материалом как поликарбонат. Действительно, по своим физико-механическим и эксплуатационным характеристикам листы ПЭТГ практически не уступают поликарбонату, а по стоимости значительно дешевле, что немаловажно для российских производителей рекламной продукции. К тому же листовой ПЭТГ из-за низкой температуры перехода в термопластичное состояние легко и с малыми энергетическими затратами подвергается различным процессам термо- пневмо- и вакуумформования.

Для производителей рекламной продукции, дизайнеров, сайнмейкеров, технологов и других технических исполнителей, непосредственно работающих с листовым ПЭТГ, очень важными являются сведения о способах обработки и методах различных воздействий на материал, таких как формование холодным и горячим сгибанием, склеивание, резка (механическая и лазерная), сверление, фрезерование, штамповка. Этим практическим аспектам воздействия на листовой ПЭТГ и посвящена данная статья.

На европейском и российском рынке листовых материалов в последнее время большим спросом и популярностью пользуются листовые ПЭТГ марки "VECTAN UVP (Ultra-Violet Protected)" ("ВЕКТАН УФ-защищенный"). На примере этого материала указанные в статье эксплуатационные характеристики и способы обработки распространяются также на листы ПЭТГ марки "VIVAK" ("Axxis", Бельгия) и "SIMOLUX" ("Simona", Германия).

Листы ПЭТГ (плотность 1.27 г/см³) имеют высокое светопропускание (прозрачные - 90%), могут быть матовыми (35%) и цветными (тонированными). Они имеют глянцевую УФ-защищенную поверхность с обеих сторон, покрытых защитной полиэтиленовой пленкой. Поверхностный слой имеет высокую устойчивость к царапинам, на него прекрасно наносятся аппликативные самоклеящиеся пленки всех типов и хорошо ложится печать офсетным и трафаретным способами. Защита от ультрафиолетового излучения нанесена с обеих сторон листа, что гарантирует сохранение светотехнических (без пожелтения) и эксплуатационных характеристик материала в течение 10 лет. Складировать листы следует в сухом месте. ПЭТГ абсолютно безопасен при контакте с окружающей средой, включая использующих его людей, физиологически инертен и пожаробезопасен, то есть относится к группе трудновоспламеняемых материалов, не поддерживающих горение на воздухе. При нагревании материал проходит следующие стадии по мере повышения температуры:

Основные физико-механические и эксплуатационные характеристики листового ПЭТГ указаны в таблице 1.

Теплоизоляция

Приведенные в таблице данные по теплопроводности и, соответственно, коэффициенту теплопередачи (К) указывают на высокие теплоизоляционные свойства листов ПЕТГ. При использовании этих листов вместо обычного силикатного стекла для остекления различных бытовых и промышленных сооружений наблюдаются следующие соотношения. При одинарном остеклении одинаковый эффект по теплопередачи (К = 5.56 Вт/м²·С) наблюдается при использовании стекла толщиной 10 мм и листового ПЭТГ толщиной всего лишь 2 мм. При этом наблюдается десятикратный выигрыш в весе (25.0 кг/м² и 2.54 кг/м²) и антивандальный вариант в противоударном отношении. При двойном остеклении одинаковая теплоизоляция (К=3.05 Вт/м²·С) достигается при использовании 2-х стекол по 5 мм толщиной с воздушной прослойкой между ними 15 мм (25.0 кг/м²) или 2-х листов ПЭТГ толщиной 3 мм на расстоянии 10 мм (7.6 кг/м²).

Механическая обработка

Механическая обработка листов ПЭТГ может проводиться с использованием различных инструментов, используемых при обработке дерева или металла. При этом окружные и линейные скорости вращения или продвижения инструмента должны быть такими, чтобы не вызывать нагрев материала до его плавления. Оптимальные высокие скорости обработки не должны вызывать перегрева как материала, так и инструмента. Следует использовать всегда хорошо наточенные твердосплавные, износостойкие инструменты изготовленные из "высокоскоростных" и "карбонизированных" сталей. Так как листовой ПЭТГ обладает низкой теплопроводностью, необходимо обеспечить отвод тепла от места обработки через инструмент или посредством местного охлаждения струей сжатого воздуха.

Ручная обработка листов ПЭТГ предполагает использование различных инструментов для работы с деревом или мягкими металлами - рубанки, напильники, наждачная бумага и др. Винты и гайки (после резьбования с помощью плашек и метчиков), шурупы, саморезы, и другие приспособления для механического скрепления отдельных частей можно использовать в одном месте не более 2-х раз из-за относительной "мягкости" материала.

Фрезерование производится высокоскоростными фрезами для металла при 500 об/мин и скоростью подачи 0.25 мм/об.

Сверление производится стандартными двухперьевыми сверлами для дерева или металла с углом острия 60 - 90° и углом резания 12 - 18°. Скорость вращения внешней кромки сверла должна быть в пределах 30 - 61 м/мин, а скорость подачи 0.25 - 0.63 мм/об. При сверлении глубоких отверстий необходимо охлаждать сжатым воздухом и как можно чаще извлекать сверло для предотвращения перегрева материала. Расстояние сверления от края листа должно быть не менее 1.5 диаметров отверстия.

Распиловка может производиться как ленточными, так и циркулярными пилами для дерева или металла. Однако некоторые конструктивные особенности характерны для пил, используемых для чистой и быстрой распиловки ПЭТГ. Косозубые пилы наиболее предпочтительны, так как они обеспечивают легкое и быстрое удаление образующихся опилок из рабочей зоны, что предохраняет материал от перегрева. При прямой резке лучше использовать циркулярные пилы. Для получения изогнутых и фигурных резок следует применять ленточные пилы (электролобзики). Для обеспечения чистой кромки и отсутствия сколов при распиловке расстояние между зубьями пилы должны уменьшаться с уменьшением толщины листового материала ПЭТГ. В таблице показаны основные конструктивные и технологические особенности ленточных и циркулярных пил для распиловки листового ПЭТГ.

Резка, штамповка, фигурная вырубка листового ПЭТГ производится только при толщине листов меньше 2.5 мм. Для уменьшения возникновения сколов и трещин рекомендуется предварительно нагреть материал до 38-40°С. Давление, необходимое для резки и штамповки листового ПЭТГ, рассчитывается по формуле: Р(тонн) = А·В·С/8896, где А - прочность на раздир (МПа), В - толщина листа (мм), С - периметр штамповки (мм), соотношение величин А и В следующее: толщине листов (В) - 2, 3 и 6 мм соответствует прочность на раздир (А) - 57.6, 56.5 и 46.1 МПа.

Строгание производят обычно после распиловки для получения чистой, ровной кромки листа. При строгании используют барабан диаметром 4-6 мм с двумя режущими ножами со скоростью вращения до 24000 об/мин и скоростью подачи материала до 1.5 м/мин.

Лазерная резка листового ПЭТГ рекомендуется при толщине материала до 4.7 мм. В этом случае полученный срез чистый и прозрачный. Лучше всего использовать Excimer-лазер, так как при использовании углекислотного лазера листовой ПЭТГ в силу своего химического строения поглощает значительную часть энергии лазерного луча. Так, например, при лазерной резке листа ПЭТГ толщиной 2 мм без видимого эффекта поглощается 45% энергии лазера, что влечет за собой дополнительные затраты на электроэнергию и делает процесс энергетически невыгодным.

Формование

Холодное сгибание листов ПЭТГ без возникновения значительных внутренних напряжений при малых радиусах изгиба допускается для толщин меньше 2.5 мм. "Безопасным" минимальным радиусом изгиба является величина 150 толщин листа.

Сгибание при нагреве осуществляется с предварительным разогревом обеих сторон листа по линии сгиба до оптимальной температуры 105 - 110°С, причем внутреннюю сторону будущего угла нагревают в первую очередь, а затем - внешнюю сторону. Ширина нагреваемой зоны X (мм) рассчитывается по формуле Х = 0.026·В·Y, где В - толщина листа (мм), Y - угол изгиба (в градусах). Так, например, для толщины листа 3 мм и угле изгиба 90° ширина прогреваемой зоны должна быть не менее 7 мм. При малых углах изгиба до 45° и толщинах до 3 мм достаточно нагревать материал с одной внутренней стороны в течение не более 2 минут.

Термоформование листового ПЭТГ проводится в интервале температур самого материала 120 - 160°С. Для получения изделий сложных форм температура должна быть не меньше 150°С. Листовой ПЭТГ является одним из наиболее пригодных для термоформования полимерных материалов. Благодаря своим высоким механическим показателям и прекрасной эластичности в нагретом состоянии этот материал может подвергаться самым различным методам термоформования. Наиболее часто используется негативное вакуумформование в форму, когда необходимо получить изделие с тонким днищем и толстыми стенками, и позитивное вакуумформование над формой для изделий с толстым днищем и тонкими стенками. Минимальный вакуум при этом должен быть 500 мм ртутного столба (0.66 атм = 0.067 МПа) и желательно использовать сандвичевую систему нагрева материала с двух сторон с помощью инфракрасных излучателей. Готовое изделие извлекается из формы после медленного охлаждения до 70°С. При пневмоформовании воздухом под давлением в форму параметры процессов нагрева, охлаждения материала и самого формования аналогичны процессу вакуумформования. При свободном формованиии выдуванием на рамке необходимой формы (квадрат, треугольник, круг, эллипс и др.) давление сжатого воздуха рекомендуется не менее 2.76 МПа. В процессе формования при помощи матрицы и пуансона требуется учитывать разницу в теплопроводности, и соответственно, температуре материала и инструмента. Для изготовления инструмента формования (матрицы и пуансона) используются различные материалы (в скобках указаны значения теплопроводности, Вт/м·К) - гипс (3.2), дерево (1.7), эпоксидная смола (2.4), эпоксидированный алюминий (9.7 - 16.2), алюминий (2422), полированная сталь (485). Температура инструмента в процессе формования должна быть в пределах 50 - 55°С. В инструменте необходимо сделать несколько отверстий диаметром 0.05 - 0.08 мм для выхода воздуха, находящегося между материалом и поверхностью формы. Во всех случаях термоформования листов ПЭТГ следует обращать внимание на необходимость медленного охлаждения готового изделия. При быстром охлаждении в материале могут возникнуть внутреннние напряжения, что сказывается на прочности и внешнем виде изделия. При необходимости изделия можно "отпустить" термостатированием в течение 1 - 2 часов при температуре 75 - 80°С.

Склеивание

Методы склеивания листов ПЭТГ аналогичны известным методам при работе с таким распространенным материалом как полиметилметакрилат (оргстекло). В качестве растворителей используют метиленхлорид, дихлорэтан, хлороформ, ацетон, циклогексан, тетрагидрофуран, трихлорэтилен, метилэтилкетон и их смеси. Для ПЭТГ оптимальными клеящими сотавами являются смеси 42% метилэтилкетона, 42% трихлорэтилена и 16% метиленхлорида или 85% метиленхлорида, 12% трихлорэтилена и 3% метилэтилкетона. Высокая прочность клеевого соединения достигается при использовании 10%-ного раствора стружки или опилок самого ПЭТГ в указанных растворителях. Следует учитывать, что в этом случае процесс склеивания более длительный из-за медленного испарения растворителя.

Хороший результат дают суперклеи на цианакрилатной и полиуретановой основе.

Для соединения листов ПЭТГ может быть использована ультразвуковая сварка и сварка на основе трения (кручения).