Термическая усадка

Термическая усадка — это необратимое уменьшение линейных размеров или объёма полимерного материала под воздействием повышенной температуры. Данное явление характерно для термопластичных полимеров, которые при нагреве переходят в высокоэластичное состояние, а затем, при охлаждении, фиксируются в новой, более компактной форме. Термическая усадка широко используется в промышленности для создания защитных покрытий, изоляции, упаковки и маркировки.

Физико-химические основы процесса

Термическая усадка основана на способности некоторых полимеров (например, полиолефинов, поливинилхлорида, полиэтилентерефталата) «запоминать» форму. В процессе производства исходный полимерный материал (плёнка, трубка) нагревают до температуры выше температуры стеклования или плавления кристаллической фазы, а затем механически растягивают (ориентируют) в продольном и/или поперечном направлении. После охлаждения под нагрузкой полимер фиксируется в растянутом, неравновесном состоянии. При повторном нагреве до температуры, близкой к температуре ориентации, молекулярные цепи стремятся вернуться в исходное, энергетически более выгодное свёрнутое состояние, что и приводит к сокращению размеров.

Ключевыми параметрами процесса являются:

Степень усадки — отношение изменения размера к исходному размеру, выраженное в процентах.
Температура начала усадки — минимальная температура, при которой начинается видимое сокращение.
Температура полной усадки — температура, при которой материал достигает максимальной усадки и перестаёт сокращаться.
Усилие усадки — сила, развиваемая материалом при сокращении, которая может сжимать или деформировать объект, на который наносится усадка.

Виды материалов и их классификация

Материалы, подвергаемые термической усадке, классифицируются по нескольким признакам.

По исходной форме

Термоусадочные трубки (ТУТ) — полые цилиндрические изделия, используемые для изоляции проводов, кабелей, соединений. Выпускаются в виде отрезков или в бухтах.
Термоусадочные плёнки — плоские листы или рукава, применяемые для упаковки товаров (групповая упаковка, упаковка поддонов).
Термоусадочные этикетки — плёнки с нанесённым рисунком, надеваемые на бутылки, банки и другие ёмкости, которые после усадки плотно облегают тару.
Термоусадочные колпачки — изделия для герметизации горловин, пробок.

По типу полимера

Полиолефины (полиэтилен, полипропилен, сополимеры) — наиболее распространены, обладают хорошей эластичностью, химической стойкостью, широким диапазоном рабочих температур (от -55 до +135 °C). Чаще всего используются для изоляции и упаковки.
Поливинилхлорид (ПВХ) — дешевле полиолефинов, но менее эластичен и имеет более низкую термостойкость (до +105 °C). Применяется в упаковке и для изготовления этикеток.
Полиэтилентерефталат (ПЭТФ, ПЭТ) — обладает высокой механической прочностью, прозрачностью, термостойкостью (до +150 °C). Используется для этикеток на бутылках с горячим розливом.
Фторполимеры (FEP, PTFE) — дорогие, химически инертные, термостойкие (до +260 °C). Применяются в аэрокосмической, химической промышленности, в условиях агрессивных сред.
Эластомеры (силикон, неопрен) — сохраняют эластичность после усадки, используются для герметизации и защиты в условиях вибраций.

По степени усадки

Стандартная усадка (2:1) — трубка уменьшается в диаметре в два раза.
Высокая усадка (3:1, 4:1, 6:1) — позволяет изолировать соединения с большим перепадом диаметров.
Средняя усадка (1.5:1) — для тонкостенных трубок.

По наличию дополнительных свойств

Термоусадочные трубки с клеевым слоем — внутренняя поверхность покрыта термоплавким клеем, который при нагреве расплавляется и герметизирует соединение, обеспечивая водонепроницаемость и защиту от коррозии.
Термоусадочные трубки с продольным разрезом — для ремонта или изоляции уже смонтированных кабелей без необходимости снимать концевые заделки.
Термоусадочные плёнки с низкой температурой усадки — для упаковки товаров, чувствительных к перегреву.

Технология применения

Процесс термической усадки включает несколько этапов:

Подготовка — очистка и обезжиривание поверхности объекта (провода, бутылки, поддона). Для трубок может потребоваться предварительный нагрев объекта.
Установка — надевание термоусадочного материала на объект. Для трубок используется оправка или ручное надевание, для плёнок — обёртывание с запасом.
Нагрев — подача горячего воздуха (тепловая пушка, промышленный фен), инфракрасного излучения или пропускание через горячую ванну (для этикеток). Температура и время нагрева подбираются в соответствии с рекомендациями производителя. Перегрев может привести к деструкции полимера, потере эластичности или прожигу.
Охлаждение — естественное или принудительное (воздушное) охлаждение до комнатной температуры, при котором материал фиксирует новую форму.

Применение

Электротехника и электроника

Изоляция и герметизация мест соединения проводов, кабельных наконечников, клемм.
Защита от влаги, пыли, химических веществ.
Маркировка проводов (цветные трубки).
Изоляция контактов в распределительных коробках и щитах.

Упаковка

Групповая упаковка — объединение нескольких товаров (банок, бутылок, коробок) в единый блок с помощью термоусадочной плёнки.
Упаковка поддонов — фиксация груза на поддоне для транспортировки.
Индивидуальная упаковка — герметичная упаковка продуктов питания (например, мясных полуфабрикатов, сыров) в термоусадочную плёнку для увеличения срока хранения.

Пищевая промышленность

Термоусадочные этикетки — на бутылки с напитками, банки с консервами, флаконы с косметикой. Этикетка плотно облегает тару, не отклеивается и не сдвигается.
Колпачки для герметизации — на горлышки бутылок, банок, флаконов.

Автомобильная промышленность

Изоляция и защита жгутов проводов, соединений, датчиков.
Защита шлангов, трубок от истирания и воздействия химикатов.

Строительство

Герметизация стыков и швов в трубопроводах.
Защита кабельных линий от механических повреждений.
Изоляция мест соединения металлических и пластиковых труб.

Медицина

Изготовление катетеров, трубок для переливания крови, упаковки для стерильных инструментов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Простота и скорость — процесс усадки занимает секунды или минуты, не требует сложного оборудования.
Герметичность — клеевые слои и плотное облегание обеспечивают защиту от влаги, газов, пыли.
Эластичность — после усадки материал сохраняет гибкость, не трескается при изгибах.
Химическая стойкость — многие термоусадочные материалы устойчивы к маслам, кислотам, щелочам.
Эстетика — возможность нанесения цветной маркировки, логотипов, текста.
Экономичность — низкая стоимость материалов и оборудования.

Недостатки

Необратимость — после усадки материал невозможно вернуть в исходное состояние.
Ограниченный диапазон рабочих температур — для каждого типа полимера существует свой предел.
Чувствительность к перегреву — при превышении температуры материал может деградировать, потерять эластичность или прогореть.
Необходимость специального оборудования — для нагрева требуется тепловая пушка, фен или печь.
Возможность повреждения упаковываемого объекта — при слишком высокой температуре или длительном нагреве.

Интересные факты

Первые промышленные термоусадочные материалы появились в 1950-х годах в США. Их разработка была связана с потребностями военной и авиационной промышленности.
Термоусадочные трубки с клеевым слоем широко применяются в космической технике для герметизации кабельных соединений в условиях вакуума и перепадов температур.
В пищевой промышленности термоусадочная упаковка позволяет продлить срок хранения продуктов в 2–3 раза за счёт создания барьера для кислорода и микроорганизмов.
Существуют термоусадочные материалы с эффектом памяти формы, которые могут восстанавливать заданную геометрию после деформации.

Источники

ГОСТ 19034-82 «Трубки термоусаживаемые полимерные. Общие технические условия».
ГОСТ 10354-82 «Пленка полиэтиленовая. Технические условия».
Справочник по полимерным материалам / под ред. В. А. Каблова. — М.: Химия, 2008.
«Технология переработки полимеров» / П. А. Ребиндер, В. А. Каргин. — М.: Наука, 2010.
«Термоусадочные материалы: свойства и применение» / Журнал «Пластические массы», № 5, 2015.

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →