Подлежащие термическому формованию заготовки из пленочных или листовых полимерных материалов прогреваются до температуры формовки зачастую с помощью инфракрасных (ИК) излучателей.
Но, следует учитывать, что не все самые распространенные излучатели инфракрасного типа – керамические, кварцевые, галогенные – в одинаковой степени способны качественно произвести нагрев всевозможных типов заготовок. В идеальном случае эмиссионный спектр излучателя должен соответствовать спектру поглощения обрабатываемой заготовки.
Ключевым фактором для термического формования является предварительный прогрев заготовки до температуры, которая необходима формовке. Для того чтобы обеспечить наилучшую экономичность процесса эта задача должна осуществляться за минимально отведенное время с максимально возможной равномерностью прогрева заготовки по всей ее поверхности. При переработке материалов с повышенными показателями толщины нужно также следить за тем, чтобы градиент температуры по всей толщине заготовки не оказался излишне большим. Только при этом условии возможны формование изделия с четкими контурами и сведение к минимуму уровня остаточных напряжений в формованном изделии.
При термическом формовании чаще всего применяется инфракрасный нагрев заготовок, основанный на поглощении материалом электромагнитной энергии ИК излучения и ее необратимом переходе в тепловую энергию. Для использования в формовочных термических машинах предлагаются керамические, кварцевые и так называемые «светлые» или, иначе, галогеновые излучатели с различными диапазонами длины волны генерируемого инфракрасного излучения.
Каждый материал полимерного происхождения поглощает излучение в определенном диапазоне волны. При этом его поглощающая способность является такой же неповторимой, как отпечаток пальца человека. Это означает, что она изменяется при малейших колебаниях толщины и цвета заготовки, вида содержащихся в материале добавок и других факторов. Поэтому длина волны испускаемого ИК-излучения в значительной степени влияет на эффективность нагрева: чем в большей степени длина волны излучения соответствует спектру поглощения нагреваемого материала, тем быстрее и с меньшими затратами энергии – при одинаковой интенсивности энергии излучателя (кВт/м2) – протекает процесс нагрева.
К числу наиболее известных нагревательных излучателей, используемых при термоформовании изделий, относятся:
керамические излучатели, которые входят в группу средневолновых излучателей с высокой долей длинно- и коротковолнового излучения;
излучатели из искусственного кварца (в дальнейшем – кварцевые излучатели), также являющиеся средневолновыми излучателями, но с более высокой долей средневолнового и меньшей долей длинноволнового излучения по сравнению с керамическими излучателями;
"светлые" или, иначе, галогенновые излучатели с очень высокой долей коротковолнового, низкой долей средневолнового и очень малой долей длинноволнового излучения.
К группе коротко-, средне- или длинноволновых ИК излучателей конкретный излучатель причисляется в зависимости от позиции максимума кривой его эмиссионного спектра. Мощность излучателя в коротковолновом диапазоне автоматически повышается по мере снижения его мощности в длинноволновом диапазоне, а мощность длинноволнового керамического излучателя увеличивается при снижении его мощности в коротковолновом диапазоне. Чем в большей степени соответствуют друг другу полимерный материал и излучатель, тем меньше будет удельное потребление энергии (кВт ∙ ч/кг) при нагреве заготовки до температуры формования.
Все нагревательные излучатели – керамические, кварцевые и галогеновые – генерируют излучение в широком диапазоне длин волн. Часть этого излучения проходит сквозь заготовку, не оказывая нагревательного воздействия на нее, другая часть излучения отражается от поверхности заготовки, также, не оказывая нагревательного воздействия, и лишь оставшаяся третья часть поглощаемого материалом излучения обеспечивает нагрев заготовки.
Результаты нагревательного воздействия керамических и кварцевых излучателей при равной потребляемой мощности оказываются примерно одинаковыми, но керамические излучатели характеризуются более длительным сроком службы, чем кварцевые. Преимуществом кварцевых излучателей является то, что во включенном состоянии можно видеть светящуюся нагревательную спираль, что упрощает контроль над функционированием устройства. Тем не менее, основное различие между этими двумя типами излучателей заключается в возможностях регулирования их мощности. В случае керамических излучателей нагревательная мощность может изменяться путем регулирования температуры излучателя, с помощью так называемого «пилотного» излучателя и (или) через его систему настройки мощности, а в случае кварцевых излучателей – только с помощью системы настройки мощности.
Существенным недостатком галогеновых излучателей наряду с их более коротким (по сравнению с керамическими излучателями) сроком службы является также высокая доза облучения, получаемая заготовкой по причине относительно узкой зоны и высокой мощности излучения. Как показывает практический опыт, многие заготовки при таких условиях выделяют значительно больше веществ, чем при нагреве с помощью керамических излучателей. Это сопровождается увеличением отложений на элементах машины и формы. Еще одним важным недостатком галогеновых излучателей является необходимость закрывания отражающего ИК-излучение нагревательного экрана (нагревательной поверхности) кварцевым стеклом.
Кварцевое стекло пропускает только 85 % излучения, и, кроме того, на его поверхности образуются отложения, если часть излучателя в пределах нагревательного экрана отключается на продолжительное время, что всегда имеет место при работе с заготовками с уменьшенной поверхностью термоформования. Эти отложения приходится впоследствии удалять вручную, так как использование системы самостоятельной очистки путем пиролиза требует температур выше 500 градусов Цельсия. Без использования покрытия из кварцевого стекла, отражатели галогенового излучателя очень быстро загрязняются отложениями испаряющихся из обрабатываемых заготовок веществ, что сопровождается снижением их отражающей способности с соответствующими негативными последствиями для процесса нагрева заготовок. Излучению, генерируемому, прежде всего, галогеновыми излучателями, приписывается «большая глубина проникновения» в полимерный материал. Это означает, что материал плохо поглощает излучение, которое отдает свою энергию только в глубоко расположенных слоях заготовки. Еще одним негативным следствием такого эффекта является то, что очень тонкие полимерные заготовки либо вовсе не нагреваются галогеновыми излучателями, либо нагреваются ими очень медленно с низким КПД. По этой причине подобные излучатели, как правило, не используются на установках, предназначенных для переработки сматываемых с рулонов пленок. Для создания такой же нагревательной мощности, как при использовании керамических излучателей, потребляемая галогеновыми излучателями мощность должна быть примерно в два раза больше (в связи со значительными потерями энергии в длинноволновой части спектра кривую излучения необходимо как бы «приподнять»). Это означает значительное увеличение энергопотребления, так как системы нагрева на подобных установках с переработкой рулонной пленки постоянно находятся во включенном состоянии из-за большого числа циклов их работы в единицу времени.
КПД керамических излучателей, характеризующихся очень широким спектром длин волн генерируемого излучения, при нагревании листовых полимерных материалов варьируется в пределах от 25 до 40 %, а при условии оптимальной изоляции нагревательных экранов, наличии боковых отражателей и «идеальной» согласованности характеристик полимерного материала и излучателя, по данным лабораторных исследований, может достигать даже уровня 60 %.
Если термоформовочная машина предназначается для переработки строго определенного материала или определенной группы материалов, имеющих близкие поглощающие свойства, то наиболее подходящий излучатель целесообразно подбирать путем проведения соответствующих тестовых испытаний. Это позволяет добиться наиболее высокой эффективности его работы и минимального удельного потребления энергии при нагревании заготовок. Тем не менее подобное согласование характеристик машины и перерабатываемого полимерного материала на практике является скорее исключением, чем правилом. Красители поглощают излучения с длинами волн, соответствующими видимой части спектра, т. е. не превышающими 0,8 мкм. В результате при нагревании цветных заготовок с помощью галогеновых излучателей возникают определенные проблемы, так как значительная часть генерируемого этими устройствами излучения имеет длины волн, соответствующие видимому свету и к тому же различную интенсивность. Как следствие, имеющие разный цвет участки заготовки нагреваются в неодинаковой степени в соответствии с преобладанием того или иного цвета. Генерируемое керамическими излучателями длинноволновое и потому «не критичное» ИК-излучение обеспечивает по этой причине получение значительно лучших результатов при нагреве цветных заготовок.
Если на термоформовочной машине предполагается перерабатывать листовые полимерные материалы различных видов, то нагревательная система должна создавать излучение с широким диапазоном длин волн. В этом отношении наиболее предпочтительными являются длинноволновые керамические излучатели. Ограничения при их использовании могут быть обусловлены тепловой инерционностью этих излучателей, особенно, если требуются быстрый нагрев машины или высокая динамика изменения температуры в процессе производства продукции.
Важным преимуществом галогеновых ламповых излучателей является их высокая тепловая динамичность. Создаваемая практически мгновенно при включении нагревателя полная нагревательная мощность позволяет отключать такой нагреватель на время периода охлаждения изделия. Это преимущество особенно отчетливо проявляется в случае плитных машин (в русскоязычной терминологии – «машин для термического формования мерных заготовок»), на которых технологические операции нагрева и формования выполняются последовательно на одной и той же рабочей станции. В максимальной степени энергопотребление на нагрев заготовки может быть снижено при продолжительных периодах охлаждения.
Машины с одной формовочной станцией (в русскоязычной терминологии – «однопозиционные машины») в принципе предоставляют возможность полного отключения галогенового излучателя во время стадии охлаждения изделия. Потребляемая мощность керамических излучателей по причине их тепловой инерционности должна в аналогичных условиях поддерживаться на уровне 25–30 %. Таким образом, их общее энергопотребление определяется суммой потребляемой энергии на стадиях нагрева и охлаждения.
При сравнительно продолжительных периодах охлаждения в пределах цикла работы (например, при использовании полимерной формующей оснастки или изготовленной из древесины) галогеновые излучатели оказываются более выгодными с точки зрения энергопотребления, а на машинах с короткими периодами охлаждения (в частности, оснащенными термостатируемыми алюминиевыми формами с интенсивным воздушным охлаждением) более предпочтительными являются керамические излучатели. Для расчета энергопотребления можно воспользоваться следующими данными:
галогеновые ламповые излучатели: номинальная удельная мощность – 100 кВт/м2, коэффициент использования потребляемой мощности при нагреве – 80 %, при охлаждении – 0 %;
керамические излучатели: номинальная удельная мощность – 54,4 кВт/м2, коэффициент использования потребляемой мощности при нагреве – 85 %, при охлаждении – 30 %.
Потребляемая на стадии нагрева мощность меньше номинальной мощности, так как в средней части нагревательного экрана настраивается более низкая мощность излучателя (приведенные данные получены на основе проведенных измерений и опыта эксплуатации излучателей).
Из вышеизложенного материала следует понимать, что различные типы нагревателей направлены на решение совершенно разных задач по нагреву. Подбирая необходимый тип нагревателя, следует учитывать классификацию обрабатываемого материала и термоформовочной машины.
