Исследование влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных материалов

Использование клеев без растворителей дает следующие преимущества:

* вследствие более короткого пути пленочного полотна сокращает время запуска и переналадки установки; нанесение клея гладкими валиками вместо растровых упрощает их чистку и соответственно экономит время и растворители;

* вследствие меньшей массы наносимого клея и отсутствия растворителей масса клея, подлежащего доставке к машине, в 10 раз меньше;

* отсутствие термической нагрузки, которой пленки на клеях с растворителями подвергаются в сушильной камере, благоприятно сказывается на качестве полученных многослойных пленочных материалов.

Кроме перечисленных имеются дополнительные преимущества процессов, проводимых с использованием клеев без растворителей: клей наносится в меньших количествах и его природа благоприятствует повышению эластичности и прозрачности конечного материала; большинство материалов уже через 24 часа готовы к дальнейшей переработке (разке на ролики необходимых диаметров), что позволяет сократить площади промежуточных складов и сроки поставки продукции потребителю. Межслойная адгезия в материалах не уступает адгезии в многослойных пленочных материалах (МПМ), полученных на клеях с использованием растворителей, за исключением структур с алюминиевой фольгой. Отсутствие растворителей положительно сказывается на адгезии клея к субстратам с нанесенной на них печатью. Существенная экономия за счет стабильности клея. Линейная скорость получения МПМ почти на порядок выше, чем в случае клея на растворителях.

Все комбинации обладают высокими прочностными показателями на разрыв, надрыв и раздир, прокол, хорошо свариваются, устойчивы к глубокому охлаждению, водонепроницаемы, в малой степени паропроницаемы, устойчивы к ароматам, маслам, жирам, ко многим кислотам, щелочам и растворителям, физиологически безвредны [8].

Следует отметить, что каширование с помощью клея в настоящее время остается самым распространенным способом изготовления рулонных эластичных МПМ, несмотря на то, что для осуществления этого способа необходимо провести два самостоятельных технологических процесса - получение монопленок и собственно каширования. Процесс каширования происходит при невысоких температурах (ниже 100?С, а в случае бессольвентного клея - 450 в сушильной камере), что ограничивает термическую нагрузку [14].

Российский рынок гибкой упаковки развивается. Один из его сегментов - рынок упаковки из многослойных материалов развивается особенно динамично. Свидетельство тому - растущий интерес большинства отечественных производителей к ламинаторам нового поколения. Аналогичная тенденция существует в Белоруссии, Казахстане, на Украине.

Каширование с помощью клея является самым распространенным способом изготовления многослойных полимерных материалов.

В связи с этим, очевидна целесообразность развития производства и применение композиционных пленочных материалов с заданными и прогнозируемыми свойствами. Многослойные и комбинированные пленочные материалы имеют эксплуатационные характеристики, которыми не обладает ни один из слоев в отдельности. Соединяя и располагая в конструкции различные материалы можно получить композит, с различными деформационно-прочностными свойствами. А яркая, красочная межслойная печать, которая возможна только в композиционном материале, придаст упаковке товарный вид и донесет до потребителя всю необходимую информацию.

Современные бессольвентные клеи позволяют изготавливать практически любые многослойные материалы. К сожалению, уровень материалов и парк ламинаторов, работающих в России, часто позволяют качественно изготавливать только композитные материалы из пленок. Основным недостатком бессольвентного ламинирования является невозможность обработки (конвертинга) композитного материала сразу после ламинирования. Полученный материал должен «отлежаться» не менее 24 часов. Это не всегда устраивает заказчиков и приводит к противоречиям между ними и изготовителями упаковки: одним нужны материалы «еще вчера», другие вынуждены задерживать сдачу заказов до их полной технологической готовности (полимеризации).

Бессольвентные клеи бывают двухкомпонентными и однокомпонентными. Как правило, однокомпонентные клеи применяются при склеивании бумаги с пленкой или фольгой. При использовании двухкомпонентных клеев необходимо устройство дозирования и смешения обоих компонентов: смолы и отвердителя. В нем клей подогревается до необходимой температуры и подается в кроющий узел. Обязательные условия для получения качественного ламината: точный контроль температуры нагрева, точная дозировка компонентов, обогрев шлангов, по которым клей подается в кроющий узел. В обиходе это устройство называют «миксером».

«Официальное» название - «станция смешения клея». В последнее время появились универсальные миксеры, в которых можно использовать двухкомпонентные и однокомпонентные клеи. В России в основном используются станции смешения Dopag, Contaldi, 2 KM, Nordmeccanica.

Сольвентные клеи по-прежнему находят широкое применение в ламинировании, однако ужесточение природоохранного законодательства во многих странах поставило перед производителями композитных материалов альтернативу: или увеличить свои расходы за счет внедрения систем сжигания остатков растворителей или перейти к использованию бессольвентных клеев. Как правило, выбирается второй вариант. Стоимость камеры сжигания может превышать миллион евро. За эти деньги можно приобрести несколько новых бессольвентных ламинаторов. Для нашей страны эта проблема не столь актуальна. Причины этого: довольно либеральное законодательство и (на данный момент), практически, отсутствие ламинаторов для работы с сольвентными клеями в стране [21].

Каширование с помощью клеев без растворителя было разработано изначально из соображений защиты окружающей среды, но оказалось также более экономичным по сравнению с традиционным кашированием клеями на основе растворителей и экструзионным ламинированием.

Также при кашировании клеями без растворителей существенно увеличивается скорость процесса, т.к. клеевой слой не нуждается в подсушивании. Двухкомпонентные клеи, действующие без растворителей и могут быть переработаны при температуре 35-40?С. Клей состоит из базового компонента - смолы - изоционат компоненты - NCO; и отвердителя - гидроксил компоненты - ОН в соотношении 1:0,8 по массе. После окончания времени отверждения клея материалы безопасны для пищевой упаковки, т.к. не содержат свободных мономеров - мигрирующих аминов (т.е. все изоционатные группы вступили в реакцию). Отверждение при температуре около 40?С значительно сокращает период стабилизации. Время отверждения составляет 24 часа и готовый многослойный материал готов к дальней шей переработке с целью получения упаковки.

Способом каширования может быть получено большинство гибких многослойных и комбинированных материалов.

Техническое описание.

Ламинаторы оценивают по качеству изготавливаемых композитных материалов. Ламинат должен быть безукоризненен: равномерно прозрачен, не иметь морщин, быть проклеен по всей ширине полотна и т.п. Клей должен равномерно покрывать материал, в противном случае возникнут участки, имеющие разную толщину. На материале не должно быть «проплешин», т.е. участков, не покрытых клеем. Эти недостатки производства могут привести к потере клиентов.

Для ламинирования применяются различные материалы. В первую очередь - пленки: полиэтилен высокого и низкого давления, ориентированный и неориентированный полипропилен, полиэтилентерефталат, ПВХ, полиамид, целлофан различной толщины, с различными добавками и без них, металлизированные пленки и т.д. [21].

Главные узлы, из которых состоит кашировальная машина (рис. 1.7)

* кроющая колонна;

* безваловые размотчики М1 и М2;

* безваловый намотчик М3;

* кашировальная колонна.

Приборы для кондиционирования валов и электрический шкаф установлены позади машины.

Пленка, предназначенная для нанесения клея, устанавливается на размотчике М1, и через систему валов подается к нагреваемому до t = 380 кроющему валу 5. Пленка прижимается к кроющему валу обрезиненным валом 6 во время нанесения клея.

Рис. 1.7. Технологическая схема кашировальной машины

Машина оборудована системой коронирования для предварительной обработки пленки. Система состоит из генератора, обычно устанавливаемого на полу, и из узла коронного разряда, размещаемого рядом с размотчиком: пленка проходит через вал внутри узла коронного разряда; несколько электродов, установленных полукругом вокруг ролика, посылают электрический разряд высокого напряжения на пленку. В результате чего увеличивается внешняя шероховатость обрабатываемой поверхности, и как следствие улучшается фиксирующая способность клея.

В качестве адгезива используют двухкомпонентный полиуретановый клей. При использовании боссольвентной технологии покрытия, покрытая клеем пленка не нуждается в подсушивании. Готовый многослойный материал не содержит остатков растворителя, в результате чего работу считают более экологически безопасной. С другой стороны техника покрытия должна контролироваться более тщательно, а клей должен быть готов только к моменту использования. По этой причине машина соединена с независимой системой подачи бессольвентного клея, в которой он подготавливается, нагревается, смешивается и подается через сопло. Клей должен распределятся равномерно, поэтому каретка оборудована двигающимся устройством, которое во время подачи клея передвигает сопло от одного конца емкости с клеем к другому. Клей удерживается между дозирующими валами двумя тефлоновыми пластинами.

Поперечная регулировка пленок во время работы обеспечивается автоматическими датчиками кромки полотна. Основные регулируемые процессы происходят в кроющей секции (рис. 1.8).

Клей находится между двумя дозирующими валами 1 и 2, которые установлены параллельно на калиброванном расстоянии. Вал 1 - неподвижен, а вал 2 с t = 350 вращается и при этом вся его поверхность покрывается клеем. Толщина клея зависит от зазора в 0,08-0,1 мм между двумя дозирующими валами.

Рис. 1.8. Кроющая секция

1. Неподвижный дозирующий вал (нагреваемый).

2. Вращающийся дозирующий вал (нагреваемый).

3. Обрезиненный трансферный вал.

4. Скоба запора и регулировки трансферного вала.

5. Хромированный кроющий вал (нагреваемый).

6. Обрезиненный прижимной вал кроющего узла.

7. Пленка, на которую наносится клей.

8. Цилиндры управления трансферным валом.

9. Поддон для отходов клея.

Перенос нужного количества клея с дозирующего вала 2 на кроющий вал 5 осуществляется при помощи обрезиненного трансферного вала 3. Он вращается со скоростью в 10 раз выше дозирующего вала 2. Когда скорость движения полотна увеличивается, нужно переносить большее количество клея и скорость дозирующего вала 2 пропорционально увеличивается. Таким образом, изменяя скорость дозирующего вала в широких пределах, оператор может контролировать количество переносимого клея. Тангенциальная скорость кроющего вала равна скорости полотна.

Движение полотна от кроющей колонны к кашировальной происходит в верхней металлической раме, называемой «мост».

В кашировальной колонне происходит склеивание посредством клея путем прижатия двух пленок друг к другу, во время их прохождения через «кашировальный узел» 1 - две пленки проходят через кашировальный вал, прижимаемые обрезиненным прижимным валом и происходит склеивание. Кашировальный узел с соответствующим двигателем придает машине рабочую скорость в соответствии с данными, установленными оператором. Когда тензодатчики испытывают увеличение или уменьшение усилия, приложенного к валу, то есть, натяжения пленки, соответствующие двигатели немедленно ускоряются или замедляются, чтобы восстановить предварительно установленное значение усилия (натяжения пленки, установленного оператором).

Кашированый узел состоит из кашировального вала, сделанного из хромированной стали, и обрезиненного прижимного вала, закрепленного на двух кронштейнах, приводимых парой пневматических цилиндров. Вал приводится электродвигателем. Пневматически приводимый дисковый тормоз зажимает кашировальный вал, когда нельзя допустит нежелательное вращение.

Кашировальный вал имеет две стенки (спиральную оболочку) и снабжен вращающимися патрубками на концах, чтобы соединять его с устройством кондиционирования, так как, по характеристикам клея, валы должны нагреваться во время работы. Температура в кроющем узле 400С.

Далее через охлаждающий барабан многослойный материал поступает на безваловый намотчик М3. Функция этого устройства - контроль намотки продукта, полученного в процессе склеивания пленок с размотчиков М1 и М2.

С точки зрения конструкции он устроен так же, как и размотчики М1 и М2, но снабжен обрезиненным прижимным валом, который является холостым валом, прижимающим наматываемый рулон благодаря двум пневматическим цилиндрам двустороннего действия.

Главная функция прижимного вала состоит в уплотнении наматываемого рулона, не допуская попадания воздуха между витками. Его нужно поднимать при смене рулона, когда машина не работает. Резиновое покрытие прижимного вала не нужно калибровать, только менять вал после износа резины.

На отечественном рынке производства упаковочных материалов используются кашировальные машины импортного производства. В технической документации на машины, а также в научно-технической литературе отсутствуют сведения и методики определения оптимальных параметров и технологических режимов для различных исходных слоев монопленок и различных типов клеев. На практике эти проблемы решают методом проб и ошибок. Это приводит к возникновению многочисленных видов дефектов. Некоторые из этих дефектов, причины их возникновения и практические рекомендации по способам их устранения приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1. Основные дефекты в производстве многослойных полимерных материалов методом каширования, причины и способы их устранения

Такие дефекты, являются в большинстве своем, не исправимыми и приводят к повышенным расходам расходных материалов и простоям дорогостоящего оборудования. Чтобы исключить выше указанные дефекты, необходимо разработать научно-обоснованные рекомендации, связывающие технологические режимы производства материалов с их физико-механическими, эксплуатационными и другими характеристиками. Для разработки таких рекомендаций необходимо проводить комплексные испытания для инженерной оценки свойств многослойного материала в изделии. Инженерная оценка должна проводится путем получения серий зависимостей, на основании которых можно судить о возможном поведении материала при эксплуатации. Зависимости строятся с учетом влияния различных параметров, таких как скорость, количество клея, температуры и др. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования поведения многослойных материалов в различных условиях эксплуатации, и оптимизации самого процесса их изготовления.

Проведенный литературный анализ показал, что исследований по интересующей меня тематике мало и проводимая работа является актуальной, она позволит выявить влияние технологических параметров на физико-механические свойства кашированых плёнок и заложить основу для дальнейших исследований.

2. Методическая часть

Полимеры отличаются от большинства материалов, таких как металлы, бумага, керамика, натуральные волокна, главным образом, своим «вязкоупругим» поведением. Слово «вязкоупругий» используется для описания такого поведения, при котором под напряжением проявляются одновременно как вязкие, так и упругие характеристики. Подобное свойство является прямым следствием строения полимерных молекул в виде длинных цепей. В то время как механическое поведение большинства материалов под нагрузкой может считаться либо упругим, либо деформационным течением, отклик полимеров на приложенное напряжение сочетает оба указанных типа. Отношение вязких и упругих компонент, называемое «демпферным», может очень сильно варьироваться в весьма небольшом температурном диапазоне; при этом оно сильно зависит от скорости нагружения.

Одним из самых распространенных изделий из полимерных материалов является пленка. Методы испытаний полимерных пленок развивались не только на основе приемов традиционных технологий и материалов. Крупные производители и потребители изобретали свои собственные лабораторные испытания, чтобы получить возможность управлять свойствами пленок или определить применяемость пленки для того или иного процесса или приложения. Организации, занимающиеся разработкой стандартов. предложили методы испытаний, приемлемые во всех отраслях промышленности [1].

Требования к методам испытаний

К разрабатываемому методу испытаний в обязательном порядке предъявляются несколько требований:

1. Метод должен быть быстрым, чтобы его результаты можно было использовать для контроля качества в условиях работы высокопроизводительных машин без создания задержек в производстве и отправке продукции.

2. Результаты должны быть воспроизводимыми и совпадающими в различных испытательных лабораториях и на различных испытательных машинах. Это означает, что тест должен быть нечувствительным к небольшим вариациям в получении образца, износу или другим мелким различиям испытательной аппаратуры.

3. Точность результатов не должна превышать требуемую. Стоимость излишней точности редко бывает оправданной в промышленности. и часто значение с точностью нескольких процентов дает всю необходимую информацию.

4. Предпочтительно, чтобы результаты были научно значимыми. Обязательно, чтобы они имели технологическую значимость и давали ясное свидетельство реальных функциональных свойств пленки.

Главным преимуществом стандартного метода является то, что результаты, полученные при его применении в различных лабораториях, можно сравнивать [1].

Интерпретация результатов

Главными трудностями, которые встают на пути проведения масштабного тестирования и интерпретации его результатов, являются (относительно быстрое) изменение свойств в зависимости от скорости деформирования и особенно от температуры.

Механические характеристики обычных материалов чаще всего нечувствительны к температуре при нормальных внешних условиях и температурах при упаковке / обработке пленок, используемых в упаковочной промышленности. Однако полимер, будучи вязкоупругим материалом (в температурном диапазоне менее 100?С) может из состояния твердого стеклоподобного вещества превратиться в жидкость.

Вязкоупругость - это комплексное понятие, все полимерные материалы проявляют примерно одинаковое поведение, детали которого определяются химической природой полимера, его молекулярной массой и молекулярно-массовым распределением, степенью кристалличности и т.д.

Разрушение материала при растяжении, например, одноосном, может быть хрупким, квазихрупким или пластическим (вязким) в зависимости от величины и вида деформации предшествующей разделению образца материала или изделия на части (как правило, на две части).

Хрупкое разрушение характеризуется разделением материала на две части при локализации пластической деформации у вершины трещины или без пластической деформации вообще, что определяет малые затраты энергии на продвижение трещины. Скорость роста трещины высока и соизмерима со скорость звука в данном материале.

Пластическое - (вязкое) разрушение характеризуется наиболее медленным распространением трещины с интенсивным течением всего объема материала в том числе части материала расположенной вне зоны роста трещины. Затраты энергии на продвижение трещины относительно велики.

Квазихрупкое разрушение является промежуточным вариантом и характеризуется локализацией пластической деформации у вершины трещины и на пути ее вероятного роста [1].

2.1 Выбор объекта исследования

Современная упаковка требует применения полимерных упаковочных материалов, обладающих комплексом свойств, обеспечить которые невозможно при использовании одного полимера. Нет полимерного материала, который обеспечивал бы одновременно все необходимые для упаковки свойства, такие, как привлекательный внешний вид, механическая прочность, заданная проницаемость для газов и паров воды, свариваемость, способность к глубокой вытяжке, коэффициент трения, термостойкость, и при этом имел бы приемлемую цену.

Поэтому разрабатывают и применяют упаковочные материалы, состоящие из нескольких слоев разных полимеров, так называемые многослойные пленочные материалы - МПМ. Такие материалы могут обладать спектром свойств, которым не обладает ни один из слоев в отдельности.

При конструировании многослойной упаковки большое значение имеет оптимальное содержание слоев и их чередование, определяемое индивидуальными свойствами упаковываемого продукта, а также условиями и сроками хранения.

Используют двух- и трехслойные комбинированные материалы, состоящие из полимера, бумаги и фольги, где каждый слой играет свою определенную роль.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5