Методы производства полимерной тары и упаковки
Технологические методы производства упаковки:
• литьевое (инжекционное) формование;
• экструзионно- и инжекционно-раздувное формование;
• пневмо- и вакуумформование;
• механотермоформование;
• экструзионные технологии получения листовых и плёночных материалов.
Метод литьевого (инжекционного) формования заключается в том, что исходный полимерный материал в виде гранул или порошка загружается в бункер литьевой машины, где захватывается шнеком (червяком) и транспортируется им вдоль оси обогреваемого цилиндра в его сопловую часть, переходя при этом из твёрдого состояния в состояние расплава. По мере накопления необходимого объёма расплава полимера, он впрыскивается за счёт поступательного перемещения шнека через специальное сопло в сомкнутую охлаждаемую литьевую форму. Заполнивший полость формы расплав полимера удерживается в ней какое-то время под давлением и остывает. Далее литьевая форма раскрывается, готовое изделие удаляется из её полости, а цикл формования повторяется.
Метод имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами формования изделий из полимеров: высокая производительность, высокий уровень механизации и автоматизации реализуемого процесса, отсутствие этапа получения заготовки для формования изделий, небольшое количество отходов, возможность формования изделий с практически любым заданным распределением толщины стенок.
К недостаткам следует отнести невозможность формования полых изделий закрытого типа (бутылок, канистр, и т. п.) и крупногабаритных изделий.
Производят ящики, поддоны, лотки, укупорочные средства и др.
Метод экструзионно-раздувного формования заключается в том, что исходный полимерный материал в виде гранул или порошка пластицируется вращающимся шнеком экструдера (червячного пресса) в его обогреваемом цилиндре и продавливается (экструдируется) через формующий инструмент — кольцевую экструзионную головку, выходя из него в виде трубчатой (рукавной) заготовки и попадая в пространство между разомкнутыми половинами охлаждаемой раздувной формы, смонтированными на подвижных плитах приёмного устройства. По достижении заготовкой определённой длины полуформы смыкаются с захватом заготовки и её раздуванием сжатым газом, подаваемым в полость заготовки через раздувной ниппель. После охлаждения раздувные формы размыкаются, и готовое полое изделие снимается с раздувного ниппеля. Далее цикл формования повторяется.
Преимущества: простота технологии и возможность полной автоматизации процесса формования, высокая производительность в сочетании с возможностью совмещения производства тары в одном потоке с производством затариваемой продукции, её расфасовкой, укупоркой, этикетированием тары и т. п., относительно невысокая стоимость технологического оборудования и формующего инструмента (раздувных форм, экструзионных головок).
Недостатки метода: его реализация протекает в два этапа (получение трубчатой заготовки и её последующее раздувное формование в изделие), что требует наличия двух типов формующего инструмента (экструзионной головки для получения заготовки и раздувной формы); получаемые изделия обладают значительной разнотолщинностью (неоднородностью толщины стенок); наличие технологических отходов.
Производят выдувные полые изделия (банки, бутылки, канистры) и т. п.
Метод инжекционно-раздувного формования заключается в том, что на первой стадии процесса методом литьевого формования получают трубчатую заготовку, называемую преформой, которую затем раздувают в полое изделие. Данный метод может осуществляться по двум технологическим схемам. Первая предусматривает раздувное формование полученных заготовок сразу,
после стадии литьевого формования, по второй схеме — стадии получения заготовок и их раздувного формования в изделия осуществляются отдельно друг от друга.
Преимущества данного метода: высокая степень механизации и автоматизации, производительность оборудования. Линии для раздувного формования полых изделий из инжекци-онных заготовок, выпускаемые фирмами «Сидель» (Франция), «Крупп-Каутекс» (Германия) позволяют производить от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч изделий в час.
Недостатки: высокая стоимость основного технологического оборудования и формующего инструмента, используемого для его реализации; промышленное использование пока только одного полимерного материала — полиэтилентерефталата; разнотол-щинность производимых изделий.
Метод пневмо- и вакуумформования полимерных изделий заключается в том, что закреплённая по контуру в зажимном устройстве и установленная над формой (формующей матрицей) плоская (листовая или плёночная) заготовка разогревается нагревательным устройством до определённой температуры, а затем под действием перепада давления, создаваемого между поверхностями заготовки, происходит её формование в изделие. Известно много разновидностей данного метода, в которых перепад давлений обеспечивается различными способами. Наибольшее распространение получили два из них: создание избыточного пневматического давления над заготовкой и ваку-умирование объёма полости под ней.
Данный метод реализуется на различных типах вакуумфор-мовочных машин, установках для механопневмоформования и разного рода нестандартном оборудовании.
Преимущества: возможность производства крупногабаритных изделий, простота технологии, относительно невысокая стоимость основного оборудования и формующего инструмента.
Недостатки: невысокая производительность, наличие вспомогательных технологических операций (раскрой и вырезка заготовок для формования, механическая обработка готовых изделий), зависимость от наличия исходных заготовок и достаточно большое количество технологических отходов.
Метод механотермоформования отличается от метода пневмо- и вакуумформования только тем, что формование изделия из плоской заготовки осуществляется за счёт поступательного перемещения формующего пуансона, вытягивающего предварительно нагретую устройством заготовку, закреплённую в зажимном устройстве.
Метод реализуется на вакуумформовочных машинах, специальном штамповочном оборудовании и линиях производства тары из рулонных материалов.
Преимущества: на применяемом в данном методе оборудовании достигается высокая скорость движения рулонного материала - нескольких десятков метров в минуту; штучная производительность — до десятков тысяч изделий в час. Это обеспечивает конкурентоспособность метода даже по отношению к литьевому формованию изделий из полимеров.
Недостатки: зависимость от наличия листового или рулонного материала, относительно большое количество отходов и ощутимая разнотолщинность получаемых изделий.
Производят коробки, стаканчики, лотки, коррексы и др.;
Следующий метод, используется для производства полимерных плёнок, базируется на экструзионных технологиях, реализация которых имеет две разновидности: технология производства рукавных плёнок и плоскощелевой метод получения пленок Существующие технологии производства полимерных плёнок обеспечивают получение как однослойных, так и многослойных плёнок; производство последних сопряжено с большими сложностями как технологического, так и конструктивного характера.
По количеству слоев пленки принято делить на однослойные, многослойные, а по типу материалов — на однородные (с полимерами) и комбинированные (с бумагой, фольгой, тканью и др.).
В зависимости от применяемого полимера и оборудования различают технологии получения однослойных, многослойных и комбинированных пленок следующими способами:
• экструзии плоских пленок;
• экструзии рукавных раздувных пленок;
• каландрирования (каландрования);
• отливания пленок из растворов;
• ламинирования;
• каширования;
• металлизации;
• соэкструзии.
Экструзия плоских пленок заключается в выдавливании расплава из плоскощелевой головки, при этом расплав опускается вертикально вниз и направляется в устройство для охлаждения. Охлаждение на поверхности полированных металлических барабанов наиболее удобно. При использовании этой технологии можно производить как однослойные, так и дублированные пленки.
Экструзией раздувные пленки получают после выхода из кольцевой головки. Ее раздувают до требуемого размера воздухом, подаваемым под давлением внутрь заготовки. Рукав пленки обычно вытягивают либо вверх, либо вниз, поскольку ось головки экструдера расположена под углом 90 ° к оси материального цилиндра экструдера. После этого рукав охлаждают до такой температуры, при которой пленка не слипается, складывают между валками, затем наматывают в виде рулона. В ряде случаев пленку сначала разрезают, а затем наматывают. Ширина рукавной пленки составляет от 15-20 см до 3 м.
Каландрованием получают чаще всего поливинилхлоридные пленки или производят дублирование, или выглаженные пленки.
Отливание пленок из растворов производится только в том случае, если их нельзя выработать другим способом. Состоит из нескольких стадий: первая заключается в приготовлении гомогенных растворов и их фильтровании; вторая связана с нанесением раствора с помощью ракельного («нож» с выемкой) или иного устройства. Раствор распределяют тонким слоем на полированной металлической ленте-транспортере, третья стадия — сушка, в процессе которой растворитель полностью испаряется из раствора, а готовую пленку отделяют от ленты-транспортера и сматывают в рулоны. Это пленки из целлофана, эфиров целлюлозы и др.
Многослойные комбинированные пленки с бумагой и фольгой, картоном, тканями, пленками и другими рулонными материалами производят методами каширования или ламинирования.
Ламинирование — это соединение пленочных материалов на валковом оборудовании. На первую пленку-основу наносят расплавленную пленку и дублируют со вторым пленочным материалом через вальцы или четырех- или пятивалковый каландр.
Экструзионное ламинирование — соединение пленок с помощью расплава. Этим методом можно получать двух- или трехслойные пленки, для этого необходимо использовать не один, а два экструдера или специальные наносные головки.
Дублирование пленок между собой и с другими материалами производят также на вальцекаландровых линиях и в прессах.
Кэширование — это использование клея (адгезива) на каши-ровальных установках. Применяют два варианта: мокрый и сухой. В первом случае после нанесения клеевого слоя пленки сразу соединяют, не дожидаясь высыхания клея. Мокрый способ используют в том случае, если один из слоев является пористым и газопроницаемым, тогда часть растворителя легко испаряется путем диффузии и проницаемости в камере сушки. В качестве клеев используют водные растворы, латексы, эмульсии. Использование метода нанесения растворов полимеров на основу с последующей сушкой применяют для тех полимеров, которые не могут быть получены в виде пленок через расплав по обычным технологиям. Сухой способ: после нанесения слоя клея его сначала сушат в ламинаторах, а затем склеиваемые поверхности соединяют. Клеями в этом способе обычно бывают растворы каучуков или полимерных смол в органических растворителях.
Кэшированием пленки соединяют при помощи клея-раствора или клея-расплава, обычно термопласта, который наносят (намазывают) через специальный наносной валик на поверхность основы (ткани, фольги, бумаги и т.п.) и соединяют с пленкой за счет прижимания валками.
Металлизация — более современный вариант фольгированных пленок Слой алюминиевой фольги зачастую имеет микротрещины, поры и другие дефекты, которые ухудшают барьерные свойства комбинированных пленок. Металлизированные пленки получают термическим распылением алюминия или его сплавов на поверхность полимерной пленки в вакуумной камере. Наиболее высоким качеством (прочность, низкая усадка) обладают пленки, полученные при нанесении металлизированного слоя на двухосно-ориентированные пленки.
Соэкструзия — метод, в котором расплав различных по природе полимеров из двух или трех экструдеров направляют в одну общую формующую головку. В зависимости от применяемой технологической схемы и устройства головки соединение слоев происходит перед входом в формующую головку, в самой головке или при выходе из нее. Этот метод имеет преимущества перед другими методами, поскольку формирование многослойного материала происходит непосредственно из гранул полимера, минуя стадии получения индивидуальных пленок.
Также различают ориентированную пленку в одном или двух направлениях. Получают в результате вытягивания в специальных устройствах с последующей термофиксацией или без нее. Ориентация пленки способствует улучшению физико-механических свойств, при этом повышается прочность в направлении ориентации, уменьшается дефектность, упорядоченные структуры противостоят развитию микротрещин, увеличивается стойкость к проколу. Степень вытяжки, скорость и температура процесса зависят от природы полимера. Ориентированная пленка практически нерастяжима.
Термоусадочная пленка — в процессе технологии ее получения реализована структура вытянутой конформации макромо-лекулярной цепи. Для изготовления таких пленок используют полиэтилен высокой и низкой плотности, сополимеры этилена с винилацетатом, полипропилен, сополимеры винилиденхлорида с винилхлоридом и др.
Растягивающаяся пленка растягивается под действием растягивающего усилия в процессе упаковывания. Упаковка в такую пленку может производиться как вручную, так и с использованием автоматических приспособлений.
Стретчпленки изготавливают из полимеров, содержащих эластомерный компонент, например, сополимеры этилена с каучуками, пластифицированный ПВХ, линейный полиэтилен низкой плотности и др. Природа пленок обеспечивает хорошую адгезию между слоями, т. е. происходит слипание пленок.
Существуют пленки с особыми свойствами, такие как перфорированная полимерная пленка, с небольшими отверстиями (перфорацией); водорастворимые пленки, способные растворяться в воде в обычных условиях или при небольшом нагревании; воздушно-пузырчатая пленка, которая характеризуется макропузырьками воздуха различного объема, запрессованными между двумя полиэтиленовыми пленками. Эти свойства лежат в основе использования данной пленки при упаковке конкретной продукции.
Комбинированные материалы, выпускаемые с использованием полимеров, относятся к полужесткой или мягкой упаковке в зависимости от жесткости самого полимера или жесткости дублированного с ним материала. Такие материалы применяют для производства полимерной комбинированной тары и элементов упаковки.
Комбинированные пленочные материалы делят на следующие три группы:
1) многослойные пленки, составленные только из полимеров;
2) многослойные пленки с использованием алюминиевой фольги или металлизированные;
3) пленки на бумаге или картоне.