Меню

ЛАМИНИРОВАНИЕ СТЕКЛА

ЛАМИНИРОВАНИЕ СТЕКЛА

Практика применения листового архитектурного стекла, как строительного материала, исчисляется десятилетиями. За это время производители добились существенных успехов в технологии изготовления и обработки, доведя практически до совершенства его основные характеристики и свойства. В развитии стекла все явственнее проявляют себя нанотехнологии, позволяющие придать ему специфические, экстраординарные эксплуатационные и эстетические качества, открывая тем самым новые перспективы для архитекторов и дизайнеров.

Справедливости ради отметим, что наиболее существенные улучшения всех свойств и возможностей стекла, как строительного материала, удалось вскрыть благодаря появлению многослойных безопасных стеклоизделий. Все основные ценные эксплуатационные и технологические свойства таких стекол достигаются за счет использования принципа «сэндвича», т.е. формирование слоистой неоднородной структуры композита с промежуточным полимерным слоем. Значение и последствия этих разработок все еще трудно оценить.

Стекло делает попытку совершить прочностной «подвиг» и стать в один ряд с основными строительными материалами: сталью и железобетоном.

К сожалению, до сих пор многие вопросы совершенствования технологий и оборудования для создания многослойного стекла (оборудование для триплекса) остаются вне внимания исследователей, что серьезно тормозит практическое освоение всего спектра возможностей безопасного стекла. Преобладающая часть новых свойств остается скрытой и нуждается в серьезных теоретических и экспериментальных проработках. К ним следует отнести: детальное изучение механизма формирования и разработку технологий получения многослойных стекол на базе инновационных полимерных материалов, характеризующихся более высокими, по сравнению с существующими, прочностными свойствами, исследование характеристик и возможностей применения гибридных структур на основе новых композитных компонентов.

Сочетание хрупкого стекла и пластичных материалов (например: поликарбонатно-стекольный сэндвич, стекольно-акриловый стеклоблок и многие др.) позволит оптимизировать функциональность многослойного безопасного стекла. Не вызывает сомнения, что развитие исследований в этих направлениях будет стимулировать дальнейшее совершенствование уже существующих и разработку новых подходов при проектировании и создании устройств для промышленного изготовления многослойных стекол.

И так, не принимая во внимание отличия в научной и технической трактовке терминов «многослойное стекло», «ламинированное стекло», «триплекс-стекло», остановимся на общепринятом определении:

Ламинирование стекла – это метод создания стабильной комбинации, склеенных между собой по всей поверхности плоских, либо гнутых стекол при помощи жидких или пленочных полимерных материалов.

В настоящее время, в мире для производства всех видов многослойного стекла используется две технологии: это технология жидкой заливки, основанная на применении в качестве промежуточного слоя пластифицированных смол (заливная) и технология когда, при высоких температурах и давлении, в качестве связующего между слоями стекла используется готовая полимерная пленка (пленочная).

Заливная технология в силу технологичных и эксплуатационных ограничений занимает определенные, довольно узкие ниши в общем сегменте производства безопасных стекол.

В свою очередь пленочная технология делится на две группы: автоклавная и безавтоклавная. Обе технологии базируются на одинаковых физических принципах. Основные отличия в технической реализации и последовательности технологических операций.

Поскольку, сегодня, при выборе промышленного оборудования, не последним является экономический фактор, внимание производителей листового многослойного стекла в последнее время направлено на безавтоклавную пленочную технологию. Кроме того, появление новых пленок для безавтоклавного триплекса открывает широкие возможности его использования для архитектурных целей, в особенности для закаленных и моллированных стекол.

К сожалению, серьезным недостатком обеих технологий является очень высокий процент брака, который может составить до 10-15% от выпуска изделий.

Основной причиной неудовлетворительного качества таких изделий обычно бывает наличие «отлипов» и «пузырей», на границах раздела стекло-полимер, что связано с локальными различиями в значениях адгезионной прочности на поверхности листов стекла, особенно больших форматов.

Поэтому наиважнейшей задачей при производстве многослойного стекла является проблема равномерности и увеличения адгезионной прочности по всей поверхности контакта полимерных материалов и стекла. Эту задачу можно назвать определяющей, как при конструирование оборудования, так и при оптимизации технологических процессов производства безопасного ламинированного стекла.

Бесспорно, в первую очередь, адгезионные свойства зависят от химической природы полимерных материалов, входящих в состав многослойной стекольной композиции (самостоятельный раздел химии полимеров). Кроме того, немаловажным, с точки зрения формирования адгезионного контакта, является строгое выдерживание технологического регламента подготовительных процессов (мойка и сушка стекольных заготовок и пленки, сборка и укладка пакета предварительное вакуумирование и т. д.). Однако, как показывает теория и практика основная причина брака изначально заложена в цикле термообработки.

Причиной тому являются специфические теплофизические свойства стекла, что приводит к неравномерности разогрева многослойного композита по плоскости и толщине, особенно это важно когда речь идет не о простейшей комбинации стекло-полимер-стекло (т.н. триплекс), а о многослойных стеклах типа полиплекс. Теоретические и прикладные работы в области нагрева стекла нашли свое отражение в ряде, опубликованных за последние 10-15 лет, монографиях и обзорах. Однако, в них основное внимание уделено вопросам оптимизации теплотехнологических операций при закалке, термоупрочнении, моллировании листового стекла.

По всеобщему признанию, создание оборудования для изготовления безопасного стекла, способного обеспечить наиболее подходящие режимы разогрева многослойной композиции (особенно больших размеров) является сложной технологической проблемой.

В сущности уже сейчас можно отметить, что некоторые, распространенные ранее, виды и способы нагрева стекла в печах ламинации, из-за ограниченности эксплуатационных характеристик, теряют свои позиции, уступая более прогрессивному ИК-нагреву.

Вследствие возможности создания значительного увеличения плотности теплового потока на выбранных участках поверхности облучаемого объекта, доступности управления скоростью подвода тепла, проникновения вглубь материала, применение ИК излучения способно интенсифицировать многие технологические процессы тепловой обработки. К сожалению, в настоящее время сдерживающим фактором на пути развития и внедрения этого вида нагрева в печах ламинации является, в отличие от стандартных конвекционных систем, полное отсутствие практических результатов и основных теоретических положений, а также систематизированного и удобного метода инженерного расчета для использования на практике.

Таким образом, имеются объективные предпосылки для решения следующей научно-технической задачи:

C целью повышения эффективности производства многослойного строительного стекла разработать методику, способ адаптации и поддержания комплекса мероприятий и рабочих режимов устройств ламинации при которых обеспечиваются оптимальные условия формирования равномерного, устойчивого по всей поверхности адгезионного контакта стекла и промежуточного полимера.

В результате декомпозиции поставленной задачи можно выделить несколько частных задач подлежащих исследованию:

  • понять физику взаимодействий на границе раздела стекло-полимер в условиях формирования адгезионного контакта (т.е. при температурах выше 100 °С);
  • оценить влияние на температурное состояние стекла таких факторов как пространственная неоднородность падающих радиационных потоков, температурная зависимость теплофизических и оптических свойств в области спектра 0,8-2,0 мкм, объемное поглощение излучения стеклом;
  • разработать методику контроля и управления температурными полями в многослойных стеклоизделиях в условиях сложного комбинированного радиационно — кондуктивного теплообмена. При этом важно иметь алгоритм прогнозирования температурных полей не только для поверхностных зон, а и оценивать изменение температурного поля и величину температурных градиентов по всей толщине стеклоизделия;
  • для обеспечения быстрого и равномерного прогрева многослойного стекла по толщине необходимо найти технологические и конструктивные решения эффективных зон радиационного воздействия на изделия, позволяющие обеспечить высокую производительность процесса в сочетании со значительным сокращением времени и энергопотребления;
  • синтезировать закон оптимального по быстродействию управления нагревом многослойного стекла;
  • произвести разработку средств стабилизации режимных параметров и контроля динамических режимов ламинации.

 

Задача оптимизации теплотехнических операций при производстве многослойного стекла неоднократно рассматривались ранее, ее решения в различных постановках позволили выработать ряд практических рекомендаций, направленных на улучшение характеристик процесса термообработки.

Однако до настоящего времени не разработана целостная методика с единым критерием рабочих режимов. Обобщение результатов практической эксплуатации печей ламинации отечественного и зарубежного исполнения показывает что при переводе установок с одного типа стеклоизделий на другой либо смене типа промежуточной полимерной пленки требуется серьезная корректировка рабочих режимов. Операторам установок ламинации приходится либо опытным путем осуществлять оптимизацию, либо опираться на технологические режимы и операции, рекомендованные производителями пленок ( которые не всегда носят обобщенный характер, а большей частью направлены на компенсацию технологических недостатков материала и не привязаны к принципиальным и аппаратурным реализациям конкретной установки).

Естественно при этом значительно снижается гибкость производства, не исключена возможность появления брака. Кроме того, режимы термической обработки, выбранные на основе практического опыта, часто оказываются не самыми эффективными. И как следствие, все это отрицательно сказывается на стоимостных и потребительских свойствах выпускаемой продукции. Разработчики оборудования нуждаются в конкретике описания условий и физических процессов формирования адгезионных связей с учетом специфики каждого материала. Можно провести аналогию – порошковые краски, как и пленки для ламинации также делятся на два основных класса: термореактивные и термопластические.

С красками все понятно: для формирования покрытия нужна либо термоэкспозиция (для термореактивных), либо рекомендуемая температура разогрева объекта (для термопластических). При ламинации мы имеем сложную с точки зрения теплообмена комбинацию стекло-полимер-стекло-пленка (для прижима, как правило, силиконовая мембрана толщиной не менее 4мм). Формально в суперупрощенном виде задача ламинации сводится к процедуре склеивания: путем нагрева клеющей пленки, прижима и выдержки.

Поскольку аналитическое описание процесса разогрева многослойного стекла в условиях сложного теплообмена архисложная задача и может быть решена только при условии огромного количества допущений и упрощений практический интерес могут представлять результаты полученные путем физического моделирования.

Основная концепция построения, а также выбор и обоснование рациональных режимов ИК-энергоподвода в технологии ламинации исследовались и отрабатывались на специально разработанной комбинированной ИК-установке промышленнного типа с использованием малоинерционных линейных кварцевых ИК-источников. Общий вид установки показан на фото.

На первом этапе проектирования экспериментальной установки в порядке пробного опыта (в рамках серьезных упрощающих предположений и допущений) мы попытались аналитически связать задачу лучистого теплообмена с компоновкой всей установки, предполагая дискретное расположение ИК-излучателей с учетом их конструкции, геометрических размеров и конфигурации отражающих экранов.

Анализ полученных результатов численного расчета, позволил сформулировать следующие выводы:

  • периодическая неравномерность распределения температуры объекта нагрева в направлении выбранной оси расположения источников зависит от расстояния между излучателями и поверхностью объекта и практически не зависит от расстояния между излучателями и отражающей поверхностью;
  • неравномерность определяется отношением расстояния между излучателями и поверхностью объекта к шагу между излучателями, и когда этот параметр равен или немного больше единицы – неравномерность температурного поля несущественная;
  • в случае использования верхней и нижней нагревательных секций оптимальным является объединение ИК-генераторов в тепловые блоки и их взаимное перекрестно-шахматное расположение в двух плоскостях относительно облучаемой поверхности.

Вторая важная задача – это оптимизация по быстродействию динамических режимов сложного нагрева стекольно-полимерного сэндвича при заданных граничных условиях и ограничениях на градиент температуры по толщине многослойного стекла, с учетом пространственного распределения температурного поля ИК-источников. Выявлены следующие противоречия, возникающие при оптимизации динамических режимов нагрева композитной структуры. С одной стороны необходимо чтобы продолжительность термообработки была минимальной, а с другой стороны температурные градиенты должны иметь определенное значение, при этом конечное значение температуры каждого промежуточного полимерного слоя (в случае стекла типа полиплекс) должно точно соответствовать рекомендуемой температуре обработки полимера.

Быстрый разогрев стекла (часто реализуемый в печах ламинации за счет увеличения запаса мощности) создает чрезмерные температурные градиенты как по объему так и по толщине пакета что может привести к неравномерности разогрева полимера и даже к его кипению. Медленный нагрев позволяет существенно снизить градиенты в объеме пакета, однако при этом значительно увеличивается время нагрева до температуры ламинации, что снижает производительность установки и
при этом большое значение имеет конечное распределение температуры по толщине стеклоизделия так как даже незначительный недогрев полимера до температуры расплавления может привести к браку в виде «помутнения».

В связи с этим задача управления динамическим режимом ИК-нагрева пакета может быть сформулирована следующим образом:

ПРИ ЗАДАННЫХ ПЛОТНОСТЯХ ПОТОКА ЭНЕРГИИ,ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЯХ И ГРАДИЕНТЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПО ТОЛЩИНЕ ПАКЕТА НЕОБХОДИМО НАЙТИ ЗАКОН УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ИК-ИСТОЧНИКОВ, ПРИ КОТОРОМ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ СЛОЙ КАЖДОЙ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ПОЛИМЕРНОЙ ПЛЕНКИ В СОСТАВЕ СЛОЖНОГО СТЕКЛОИЗДЕЛИЯ,ИМЕЮЩИЙ В НАЧАЛЬНЫЙ МОМЕНТ ТЕМПЕРАТУРУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, НАГРЕЕТСЯ ДО ТЕМПЕРАТУРЫ РАСПЛАВЛЕНИЯ ЗА МИНИМАЛЬНОЕ ВРЕМЯ.

Была выдвинута гипотеза, что одним из путей решения этой задачи является применение импульсного способа ИК- нагрева многослойного композита на основе листового стекла и полимерных материалов.

Осциллирующий режим ИК-энергоподвода подразумевает оптимизацию т.е. выявление эффективной скважности импульса работы излучателей (внутренний перенос тепла) и выработке рекомендаций по расчету максимальной продолжительности цикла осциллирования (внешний теплоперенос). Такой режим не позволит превышать предельно-допустимую температуру нагрева полимера.

В связи с необходимостью измерения и регулирования температуры стекольного сэндвича была разработана информационно-измерительная система по управлению импульсным ИК-нагревом, которая позволяет поддерживать максимальную и минимальную температуру материала.

С учетом полученных результатов физического моделирования, нами были изготовлена промышленная установка для производства ламинированных стеклоизделий, основанная на применении радиационного нагрева и разработанных методов объемного выравнивания температурного поля изделия, за счет зонального управления локальными лучистыми потоками внешнего ИК-излучения.

УСТАНОВКА ЛАМИНАЦИИ СТЕКЛА УЛС-4,1/2,5ИК

(см. фото и технические характеристики)

НАЗНАЧЕНИЕ:

  • изготовление пленочного триплекса методом вакуумного ламинирования;
  • декорирование стекла, МДФ, металла;
  • изготовление триплекс-стеклоблока;
  • изготовление декоративного триплекса.

СПОСОБ НАГРЕВА

  • ИК-излучение.

Установка работает по принципу программируемого ИК- нагрева вакуумированного пакета «стекло-пленка-стекло»

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:

  • компьютеризированная интеллектуальная система управления температурой нагрева по всему объему заготовки;
  • интегрированная система выравнивания вакуумного стола -предотвращает образование перекосов при работе;
  • автоматическая система поддержания разрежения в вакуумной системе в пределах предусмотренных оператором;
  • автоматическая плавная регулировка мощности нагревателей в зависимости от температуры в зоне нагрева (ПИД-регулятор);
  • независимые по управлению верхняя и нижняя нагревательные секции;
  • электронное управление вакуумной системой с цифровым дисплеем;
  • тип используемого вакуумного насоса: пластинчато-роторный маслоуплотняемый;
  • производительность вакуумной системы, м3/час — 63;
  • материалы используемых мембран: термостойкий силикон (сваренные два полотна толщиной 4 мм);
  • используемый метод технологического цикла – проходная непрерывного действия;
  • режимы работы по различным алгоритмам с учетом процессов ламинирования и декорирования:
    • автоматический;
    • полуавтоматический;
    • ручной.
  • габаритные размеры стола, мм – 4300×2500;
  • количество рабочих столов — 2;
  • тип нагревательных элементов – ИК-источники типа КГТ с диффузно-отражаемыми рефлекторами;
  • максимальная температура нагрева: до 200 °С;
  • равномерность поддержания температуры по поверхности заготовки, как на этапе разогрева так и на этапе поддержания заданной температуры: (±) 2-3 °С;
  • давление при ламинировании, кг/м² — до 9700;
  • охлаждение готовой продукции: принудительное воздушное;
  • возможность использовать новые иономерные адгезионные полимерные материалы SENTRY GLAS;
  • потребляемая мощность: 60 кВТ;
  • максимальная площадь разовой загрузки, м² -10,25;
  • габаритные размеры установки, мм – 14000x5500x3000;
  • вес, кг – 2000;
  • контролируемые параметры:
    • степень разрежения;
    • температурный градиент по двум осям;
    • время каждой операции;
    • абсолютная температура.
  • тип используемой пленки:
    • EVA. РТU. SENTRY GLAS;
    • ТЕРМОПЛАСТИЧЕСКИЕ ПОРОШКОВЫЕ КРАСКИ.
  • максимальная толщина обрабатываемого стекла, мм – 30;
  • количество контрольно-регулируемых зон нагрева – 12;
  • к-ство вакуумных постов – 2;
  • температура ламинации : 100-150 °С;
  • блоки ИК-источников верхней зоны имеет индивидуальное управление;
  • верхняя и нижняя секции ИК-излучателей снабжены системами пространственно-временной осцилляции;
  • внутренние поверхности установки облицованы специальным материалом, обеспечивающий диффузный характер отражения;
  • типы используемых стекол для ламинации:
    • бесцветное флоат-стекло;
    • окрашенное в массе;
    • закаленное;
    • эмалированное.
  • производительность установки при полной загрузке:
    • средняя производительность цикла для пакетов 4х4 — 30 мин.

В процессе работы на установке ламинации УЛС-4,1/2,5ИК достигнуты хорошие результаты как по качеству ламинации стекла с различными видами пленок, так и по удельному расходу энергии. При этом наблюдалась хорошая повторяемость качества выходной продукции. Экспериментально доказана возможность ламинировать разнотолщинные изделия в одной печи с ИК-излучением при сохранении адгезионных, прочностных и оптических характеристик.

Кроме того результаты, полученные при эксплуатации машины позволили внести определенные коррективы в теоретическое понимание процессов формирования и управления адгезионными свойствами полимеров, в составе сложного стекольно-полимерного сэндвича. Были изменены подходы к практической реализации отдельных блоков и узлов, с целью повышения эффективности машин данного класса. В первую очередь это касается систем оптимизации осциллирующего режима ИК-энергоподвода.

Подводя итоги можно констатировать что впервые показана возможность и перспективность использования в машинах ламинации коротковолнового импульсного ИК-нагрева при производстве безопасного многослойного стекла.

На наш взгляд наиболее серьезными и наименее изученными (но в тоже время, очень важными для повышения качества ламинирования стекла в ИК-установках) в настоящее время представляются следующие вопросы:

  • общие вопросы адгезионных взаимодействий различных промежуточных материалов на границе раздела стекло – полимер;
  • разработка математической модели и методики инженерно-конструктивного расчета ИК-установки;
  • исследование оптических и терморадиационных свойств материала прижима и их влияние на кинетику ИК-нагрева композита (хотя этот вопрос в большей степени относится к частному случаю применяемой технологии, чем к общей теории ламинации стекла);
  • оценка влияния подготовительных операций поверхности стекла и полимера перед ламинацией на адгезионную прочность;
  • изучение влияния специальных покрытий поверхности стекла на процессы теплообмена излучением в ИК-установке, на перенос энергии в поглощающе-отражающих компонентах объекта термообработки.

Продолжение работ в этом направлении, по всей видимости, позволит выработать более корректные практические рекомендации и тем самым серьезно продвинуться в направлении снижения процента брака и повышения качества выпускаемых безопасных многослойных стекол.