Зарегистрированных посетителей: 10509

"Технология биаксиальной ориентации пленок методом раздува"

С полными текстами всех статей вы можете ознакомиться на страницах журнала
Ф. Губерман, к. т .н., директор по продажам и маркетингу,
А. Эрскин, начальник отдела маркетинга, Macro Engineering & Technology (Канада)

Процессы, происходящие при ориентации полимерных пленок, явно недостаточно описаны в литературе; они по-прежнему несут вкус таинственности – нетрадиционные технологии, специальные материалы, необычные свойства и более высокая цена на пленку. от переработчиков требовалось и требуется самообучение и накопление практических навыков, то есть все то, что называется «know how», а это магическое словосочетание, в свою очередь, имеет выраженную коммерческую ценность – отсюда и отсутствие общедоступной информации об этих технологиях.

Неудивительно, что в  последнее время технологии ориентации пленок привлекают все большее внимание как переработчиков полимерных материалов, так и  производите лей оборудования – ориентация полимерных пленок способна существенно изменить их геометрические параметры, такие как разнотолщинность, плоскостность, продольные и поперечные размеры, а также их поведение при воздействии тепла (термоусадка) или холода. Кроме того, ориентация способна кардинально модифицировать физико-механические и  оптические свойства пленок, их газопроницаемость, свариваемость и многие другие свойства.

Этим объясняется также и то, что ориентация широко используется для получения и  нетермоусадочных пленок.

Ориентация полимерных пленок, включая все ее виды – одноосную, последовательную двухосную (сначала продольная, а  затем поперечная ориентация) или одновременную двухосную (одновременная ориентация в обоих направлениях), – это дополнительный процесс обработки, который применяется уже после формирования пленки. Несмотря на общность термина, в  разных способах ориентации используются совершенно непохожее оборудование и  технологические приемы, а в  зависимости от способа ориентации и сами пленки имеют зачастую совершенно несхожие области применения.

В данной статье мы коснемся одного, наименее описанного в литературе способа ориентации  – двухосной ориентации пленок методом раздува, которым формуются дополнительные рукава и который реализуется на линиях (см. фото в тексте и у заголовка статьи), часто называемых double-bubble и triplebubble. Этот способ чаще всего применяется для производства термоусаживающихся пленок.

Для понимания явления термической усадки рассмотрим более детально процессы, происходящие в пленке при ориентации и усадке.

Наиболее простая модель, позволяющая дать представление об этих процессах, – это известная модель Кельвина – Фойгта (рис. 1), в  которой «пружина» демонстрирует упругое поведение полимера усилие пропорционально деформации), а «демпфер» – его текучесть усилие пропорционально скорости деформации).

Когда ориентация пленки происходит при нагреве, то вязкость «демпфера», будучи функцией температуры, при этом резко снижается и материал легко и быстро растяивается, аккумулируя напряжения в  растянутой «пружине». Если охладить пленку в нужный момент и освободить ее от растягивающего усилия, то пленка будет оставаться в  деформированном состоянии достаточно долго, так как «замороженный» «демпфер» будет препятствовать усилиям растянутой «пружины» к сокращению. Релаксация остаточных напряжений будет иметь место, но в  течение очень продолжительного времени. Если же разогреть пленку, то «демпфер» «оттает» и под воздействием «пружины» (остаточных напряжений) произойдет усадка пленки.

Специалисты, знакомые с распространенной технологией получения термоусаживающихся пленок с  использованием традиционной рукавной выдувной линии, естественно, могут задаться вопросом: зачем нужны дополнительные рукава? В  однорукавных линиях процессы формования пленки и ее ориентации (при раздуве) происходят одновременно, при этом сам рукав состоит как бы из двух частей: часть рукава ниже так называемой линии «замерзания» (иначе – линии «захолаживания») представляет собой расплавленный полимер, часть выше линии замерзания – твердая пленка. Наличие расплавленной части существенно ограничивает возможности процесса ориентации: усилие раздува, создаваемое давлением внутри рукава, не может быть высоким. Поэтому пленка способна раздуваться только при температурах, близких к  температурам распла(ПЭ) температура расплава полимера, выходящего из экструзионной головки, составляет 180–220 градусов

При таких температурах работа и усилие, затрачиваемые на растяжение «пружины», меньше, чем при более низких температурах. «Пружина» при таких температурах как бы слабее, поэтому и после «замораживания» ориентированного состояния остаточные напряжения в пленке невысокие. Термоусадочная пленка при так называемом «однорукавном» ориентировании усаживается заметно только при температурах, близких к температурам плавления кристаллической фазы, которые составляют у ПЭ 100–120о градусов С, при этом сжимающее напряжение при усадке не очень высокое.

Для получения высокой степени усадки и при более низких температурах – ниже температур экструдируе- мого расплава – как раз и необходим вторичный рукав.

Вторичный рукав раздувается уже на следующей после формования пленки стадии, и он целиком состоит из уже затвердевшего полимера. В этом случае становит- ся возможным приложить заметно большее давление для раздува, чем в «однорукавном» процессе. Раздув может произойти при температурах от 30 до 140 градусов С, то есть гораздо более низких, чем обычные температуры расплава. При такой «холодной» ориентации в пленке накапливаются значительные остаточные напряжения.

В результате термоусадку можно осуществить при от- носительно низких температурах: остаточные напряже- ния, возникшие при низких температурах, при таких же температурах и высвобождаются, провоцируя усадку пленки. Таким образом, при использовании вторичного рукава достигается не только более высокая степень термоусадки, но и более высокий уровень остаточных напряжений в ориентированной пленке.

Как гласит народная мудрость, «различие между теорией и практикой на практике гораздо больше, чем в  теории». Поэтому и предложенное здесь описание анализируемого явления далеко не охватывает все его аспекты, хотя и позволяет разглядеть его суть. Современное оборудование представляет собой комплекс, в котором последовательно соединены три этапа процесса: формование пленки, ориентация и отпуск (annealing). Все эти этапы очень важны, но все же первые два этапа требуют особого внимания и очень аккуратного подхода к их реализации: несоблюдение технологии может привести к такому положению дел, когда оборудование не будет способно произвести ни грамма продукции!

Этап формования пленки. Пленка экструдируется из кольцевой головки, а  затем охлаждается при формовании первичного рукава, напоминающего, скорее, тонкостенную трубу. Правильно подобранные материалы и надмолекулярная структура получаемой пленки являются определяющими для дальнейшего раздува или ориентации рукава. Для этого процесса выбираются полимерные материалы, способные растягиваться с большим относительным удлинением, но при этом не разрываться. Ассортимент таких материалов не очень широк, это могут быть некоторые сорта ПЭ с относительно низкой плотностью, сополимеры винилацетата (СЭВА), сополимеры пропилена (условно – ПП), некоторые сорта полиамидов (ПА), сополимеры этилена и винилового спирта (СЭВС), сополимеры винилиденхлорида и метилакрилата или винилхлорида (ПВДХ), поливинилхлорид (ПВХ), ряд сополимеров стирола (ПС), сополимеры этиленфталата (ПЭТ) и  др. Более предпочтительными являются полимеры с более высокой молекулярной массой и  не очень узким молекулярно-массовым распределением. Для придания большей способности к раздуву и  вытяжке полимеры (после их формования) иногда необходимо подвергать сшиванию, увеличивая их молекулярную массу. Сшивание осуществляют чаще всего электронно-лучевым воздействием. Так как первичный рукав обычно достаточно толстый, требуется очень высокая энергия облучения – при ускоряющем на-пряжении, достигающем 1 МВ.

Что касается надмолекулярной структуры, то кристалличность полимера в  первичном рукаве влияет не только на способность к  ориентации, но и  на свойства ориентированной пленки как конечного продукта. Первое утверждение достаточно очевидно: ориентация ниже температуры плавления происходит в  основном в  аморфной фазе; чем меньше кристалличность, тем лучше способность к ориентации. Второе же утверждение весьма парадоксально. В отличие от общеизвестного правила для неориентированной пленки, которое гласит, что прочность и модуль упругости возрастают с увеличением степени кристалличности, а  эластичность уменьшается, ориентация приводит к противоположному эффекту: низкокристаллическая пленка может достичь большей прочности и жесткости, чем пленка с более высокой степенью кристалличности!

Для управления процессом кристаллизации должна иметься возможность варьирования скорости охлаждения при формовании рукава – чем быстрее охлаждение, тем меньше кристалличность. Как правило, первичный рукав при формовании охлаждается водой, так как толщина стенки рукава может достичь 1,0–1,5 мм, а  вода – это наиболее эффективная доступная среда для отбора теплоты. Рукав либо погружается в ванну с холодной водой, либо орошается снаружи с помощью так называемого водного кольца или разбрызгивателей.

Температурой воды или скоростью потока воды можно ускорять или замедлять процесс отвердевания полимера и, тем самым, регулировать степень кристалличности.

Придание расплаву формы рукава осуществляется либо жидкостью (маслом или водой), подаваемой внутрь рукава, либо давлением воздуха изнутри, либо вакуумным калибратором снаружи рукава. Каждый способ имеет свои особенности.

Например, при формовании водой необходимо организовать внутри рукава ее циркуляцию, в противном случае вода может перегреться, рукав раздуется парами воды и в итоге лопнет. При формовании маслом следует учитывать, что использование минерального масла возможно в  контакте с полярными полимерами, например с ПА или ПВДХ, однако оно совсем не годится там, где внутренний слой пленки, контактирующий с маслом, изготовлен из полиолефинов, ЭВА и пр.: масло мгновенно впитывается в полимер.

Этап ориентации. Ориентция формованной пленки проводится путем ее раздува при вторичном разогреве, причем ориентация происходит одновременно в  двух направлениях. Отношение диаметра ориентированного рукава D к  диаметру рукава до раздува  d характеризует поперечную ориентацию (рис. 2). Отношение линейных скоростей валков после формования вторичного рукава V2 и  до его формования V1 характеризует продольную ориентацию пленки.
Отношение толщины пленки до ориентации В1 и после В2 находится следующим образом: В1/В2 = (D/d) ∙ (V2/V1).

Если продольную ориентацию можно задавать скоростями валков, то задать поперечную ориентацию не так просто: рукав раздувается до вполне определенного размера, который является функцией многих факторов – толщины первичного рукава, температуры рукава при раздуве, скорости вытяжки, скорости охлаждения раздутого рукава – ну и, разумеется, зависит от типа полимеров и  степени их кристалличности.

Для большей наглядности предлагается следующая модель. При раздуве рукава под давлением находящегося внутри воздуха пленка деформируется. Процесс этот описывается классической кривой ползучести (creep) – зависимостью деформации от времени под действием постоянного напряжения (рис. 3). Известно, что скорость ползучести и величина деформации зависят от температуры, что показано на рис. 3 тремя кривыми при разных температурах. Рукав будет раздуваться до тех пор, пока полимер не охладится. Из диаграммы следует, что ширина рукава определяется временем достижения линии «захолаживания» (см. рис. 2), выше которой рукав уже остужен настолько, что процессы ползучести практически останавливаются. Положение линии «захолаживания» задается как положением охлаждающего кольца, так и интенсивностью обдува (скоростью потока и температурой обдувающего воздуха).

Пользуясь предложенной моделью, можно прийти к следующим выводам:

  • -чем больше температура пленки в момент начала раздува рукава, тем шире получится рукав;
  • -чем меньше скорость V1, тем и  рукав шире, так как требуется больше времени для достижения линии «захолаживания»;
  • -линии «захолаживания»;
  • -чем менее интенсивен обдув, тем шире рукав (по той же причине, что указана выше);
  • -очевидно влияние фактора толщины пленки: толстые пленки требуют большего времени для «захолаживания» из-за своей массы, и их можно раздуть до большего размера;
  • -свой вклад в  процесс вносит и  строение полимера: форма кривой ползучести может заметно различаться у разных полимеров, что влияет на ширину пленки.
Если же параметры, такие как температура рукава, скорость, положение обдувного кольца, толщина стенки рукава и  др., подобраны неправильно, то рукав может продолжать расширяться до своего предельного удлинения при разрыве при определенной температуре, и тогда рукав лопается, часто давая знать об этом достаточно громким хлопком.

Вторичный разогрев рукава создается либо инфракрасным излучением, либо горячей водной ванной. Однородность разогрева является ключевым фактором для получения приемлемой разнотолщинности готовой пленки.

Этап отпуска. Задача этого этапа – снизить уровень остаточных напряжений в пленке, переизбыток которых способен приводить к так называемой «холодной» усадке, чуть ли не при комнатной температуре. Это усложняет задачу хранения рулона пленки и может сделать невозможной дальнейшую переработку готовой продукции – пленка может коробиться, а шпуля на рулоне – сминаться. Для отпуска пленку нагревают еще один раз, провоцируя контролируемую термоусадку, а  затем еще раз охлаждают. При отпуске, естественно, приходится поступаться определенным запасом последующей усадки пленки – при ее использовании в  качестве термоусадочной. Это нежелательно, но нужный компромисс найти все же необходимо.

Этап отпуска можно осуществить несколькими способами, используя, например, вариант с валами, когда сложенный рукав проводится через горячие и холодные валы, или вариант раздутого рукава – третичный рукав, который подвергается нагреву либо инфракрасным разогревом, либо паром. Окончательное охлаждение рукава здесь обеспечивается обдувом воздухом.

Линии ориентирования раздувом могут иметь разнообразную конфигурацию; характеристика некоторых из них приведена в табл. 1 (см. также рис. 4). В ней представлены три варианта, отличающиеся способом раздува вторичного рукава и способом отпуска. Выбор подходящего варианта определяется, как правило, типом полимера, так как не все варианты пригодны на все случаи жизни. Например, вторичный нагрев с помощью инфракрасной печи не подходит для работы с ПВДХ из-за возможности появления карбонизированных включений черного цвета, а работа с  пленкой, содержащей ПА во внутреннем слое, или с ПП требует более высокой температуры нагрева, чем можно получить с помощью водяной ванны.

Выбор третичного рукава или же валов как способа отпуска диктуется более или менее строгими требованиями к  этому процессу.

Способ отпуска, не имеет особого значения, однако изменяет название линии – линии могут быть изготавливающими ориентированные пленки с двумя рукавами (double- bubble) или с тремя рукавами (triplebubble). В противовес бытующему мнению наличие или отсутствие третьего рукава не меняет ничего принципиально – в обеих конфигурациях линии присутствуют все те же три этапа: формирование пленки, ее ориентация и отпуск.

В табл. 1 указан еще один фактор, который до сих пор не упоминался, – введение порошка. Как правило, это разновидность крахмала – порошок должен быть съедобным, так как может находиться в непосредственном контакте с упакованными в  пленку пищевыми продуктами. Порошок имеет двойную функцию – он предотвращает слипание рукава, а также облегчает открытие пакета, изготовленного из этой пленки. В некоторых конфигурациях линий, в  которых на промежуточных стадиях нагревается сложенный рукав, введение порошка является неотъемлемой частью процесса. Порошок вводится через экструзионную головку при формовании первичного рукава – с помощью сжатого воздуха или вакуумным калибратором. При формовании первичного рукава маслом оно берет на себя функцию порошка.

Приведенные конфигурации линий ограничены лишь теми, которые применяются для многослойных структур, однако весьма широкое применение имеют и линии для производства однослойных ориентированных пленок, применяемых, например, в качестве сосисочной и колбасной оболочек, где полимер – это ПА или ПВДХ, а также термоусадочных пленок для этикеток или общего применения, чаще всего из ПВХ или ПС.

В зависимости от назначения производимой пленки имеются определенные требования к конфигурации линий (табл. 2). В дополнение к трем описанным этапам получения биаксиальноориентированной пленки имеется еще одна стадия – это радиационная сшивка, проводимая, как правило, с помощью электронного облучения. Этот процесс не встроен в линию и осуществляется на отдельной обрабатывающей станции.

В отличие от обработки первичного рукава в данном случае не требуется высокая проникающая способность радиационного излучения и высокое ускоряющее напряжение, которое составляет, как правило, не более 200 кВ. Важно подобрать такой режим обработки, чтобы, сшивая наружный слой, не повреждать при этом свариваемый слой и  не менять цветность или прозрачность барьерных слоев (например, ПВДХ под воздействием облучения приобретает коричневый оттенок, ухудшая товарный вид упакованного продукта). Процесс сшивания полимеров основан на выбивании атомов водорода из полимерной цепи и замещении их сшивающими мостиками.

Свободный водород в виде газа может накапливаться при обработке рукавной пленки, и  его удаление является непростой задачей. Тем не менее пострадиационная обработка привносит следующие улучшения свойств:
  • повышение скорости сварки при изготовлении пакетов;
  • увеличение стойкости к проколу (особенно важно при упаковывании мяса с костями);
  • уменьшение величины холодной усадки, что позволяет увеличить срок между моментом изготовления рулона и моментом его дальнейшего использования;
  • стерилизацию пленки.
Авторы надеются, что данной статьей смогли хотя бы частично исправить несправедливость по отношению к технологии ориентации полимерных пленок методом раздува и восполнить тем самым пробел, имеющийся в доступной литературе в этой области.

Technology of biaxially-oriented blown films

F. Guberman, A. Erskine
The processes occurring during orientation of polymer films are insufficiently described in
literature; they still have sense of mystery surrounding them. Insights into the
unconventional technologies, the special materials, and unusual properties associated
with these films have been generally restricted to those who have a stake in current production.
These processors have invested heavily in self- training and the accumulation of practical
know-how to secure their position in this comparatively uncompetitive market. Because
of this these films yield a higher selling price compared to conventional blown films and, in
order to protect from increased competition, knowledge of the technology is not well
published. This article serves to provide a glance into the technologies in place.

Журнал ПМ 2011/11

Источник: 2011/11




Журнал

В следующем номере

    Тема номера: ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
  • Концепция inject 4.0 как инструмент повышения эффективности литьевого производства
  • Литье под давлением «в лучшем виде»
  • Новые решения в области проектирования литьевых форм и стандартизации их деталей
  • PoucHug – инновационное решение Dow для рынка гибкой упаковки
  • Читать полностью

Популярные запросы

Вторичный пнд
Полиэтилен высокого давления
Штампы пресс формы
Литьевые машины
Трубы полимерные
Полимерные отходы
Герметик полимерный
Древесно полимерный композит
Структура полимеров
Экструдер для производства труб

Контакты

Адрес редакции:
105066, Москва, Токмаков пер., д. 16, стр. 2

Редакция:
+7 (499) 267-40-10
E-mail: victor-gonchar@mail.ru

Отдел подписки:
Прямая линия: 8 (800) 200-11-12
бесплатный звонок из любого региона России
E-mail: podpiska@vedomost.ru

Отдел рекламы:
Прямая линия:
+7 (499) 267-40-10, +7 (499) 267-40-15
E-mail: reklama@vedomost.ru

Вопросы работы портала:
E-mail: support@polymerbranch.com

Рейтинг@Mail.ru
Rambler's Top100
Логин или E-mail
Пароль (Забыли пароль?)
Запомнить
Если Вы ещё не зарегистрированы в системе, Вам необходимо зарегистрироваться
Введите E-mail:
Настоящим, в соответствии с Федеральным законом № 152-ФЗ «О персональных данных» от 27.07.2006 года, Вы подтверждаете свое согласие на обработку компанией ООО «Концепция связи XXI век» персональных данных: сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, передачу в целях продвижения товаров, работ, услуг на рынке путем осуществления прямых контактов с помощью средств связи, продажи продуктов и услуг на Ваше имя, блокирование, обезличивание, уничтожение.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует конфиденциальность получаемой информации. Обработка персональных данных осуществляется в целях эффективного исполнения заказов, договоров и иных обязательств, принятых компанией в качестве обязательных к исполнению.

В случае необходимости предоставления Ваших персональных данных правообладателю, дистрибьютору или реселлеру программного обеспечения в целях регистрации программного обеспечения на Ваше имя, Вы даёте согласие на передачу своих персональных данных.

Компания ООО «Концепция связи XXI век» гарантирует, что правообладатель, дистрибьютор или реселлер программного обеспечения осуществляет защиту персональных данных на условиях, аналогичных изложенным в Политике конфиденциальности персональных данных.

Настоящее согласие распространяется на следующие персональные данные: фамилия, имя и отчество, место работы, должность, адрес электронной почты, почтовый адрес доставки заказов, контактный телефон, платёжные реквизиты. Срок действия согласия является неограниченным. Вы можете в любой момент отозвать настоящее согласие, направив письменное уведомление на адрес: podpiska@vedomost.ru с пометкой «Отзыв согласия на обработку персональных данных».

Обращаем Ваше внимание, что отзыв согласия на обработку персональных данных влечёт за собой удаление Вашей учётной записи с соответствующего Интернет-сайта и/или уничтожение записей, содержащих Ваши персональные данные, в системах обработки персональных данных компании ООО «Концепция связи XXI век», что может сделать невозможным для Вас пользование ее интернет-сервисами.

Давая согласие на обработку персональных данных, Вы гарантируете, что представленная Вами информация является полной, точной и достоверной, а также что при представлении информации не нарушаются действующее законодательство Российской Федерации, законные права и интересы третьих лиц. Вы подтверждаете, что вся предоставленная информация заполнена Вами в отношении себя лично.

Настоящее согласие действует в течение всего периода хранения персональных данных, если иное не предусмотрено законодательством Российской Федерации.

Принимаю условия соглашения
Sat, 16 Dec 2017 16:04:00