Исследование влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства (стр. 2 из 12)
Для обеспечения сохранности упакованного продукта необходимо обеспечение целостности упаковки. А для этого все прогнозируемые в процессах упаковывания, транспортировки и эксплуатации нагрузки не должны превышать предела прочности в продольном и поперечном направлении. Сопротивление растягиванию упаковочного материала также характеризует относительное удлинение при разрыве. Все эти свойства материала зависят от технологических параметров каширования.
Помимо свойств индивидуальных слоев в многослойном пленочном материале важное значение имеет толщина адгезионного слоя. Его должно быть ровно такое количество, которого будет достаточно для заполнения всех микротрещин и микродефектов между макромолекулами соединяемых монопленок для более тесного их взаимодействия и не более того.
Целью дипломной работы является исследование влияния технологических параметров процесса бессольвентного каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных плёнок.
1. Аналитический обзор
1.1 Многослойные и комбинированные пленочные материалы
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), или же из слоев полимерных материалов в сочетании с другими материалами, такими, как картон, ткань, бумага, алюминиевая фольга (комбинированные пленочные материалы – КПМ). Такие материалы могут обладать спектром свойств, которым не обладает ни один из слоев в отдельности. Комбинированные и многослойные материалы во всем мире находят широкое применение. Это объясняется практически неограниченными возможностями варьирования их свойств за счет: выбора состава композиционного материала; изменения порядка чередования слоев; обеспечения необходимого уровня адгезионного взаимодействия между слоями; выбора оптимальной технологии и оборудования для получения конкретного материала [7].
Создание и расчет свойств таких материалов представляет сложную научно-техническую задачу и требует анализа в каждом конкретном случае, поскольку приходится принимать во внимание множество переменных величин (материалы, толщина отдельных слоев, структура многослойного материала, способ его переработки и так далее). В первом приближении можно считать, что свойства пленок определяются либо по правилу смесей, либо, при большом различии свойств, определяются свойствами того компонента (слоя), который имеет экстремальный уровень свойств. Точный расчет композиции требует учета явлений на границе раздела фаз, которые вносят очень существенный вклад, особенно для деформационных и прочностных показателей пленок.
Интересно, что слой полимера в многослойной системе может иметь свойства, отличающиеся от свойств отдельной пленки из того же материала. Особенно значительные эффекты в области изменения механических свойств наблюдаются в слоистых материалах, содержащих «жесткий» и «мягкий» элементы, или «хрупкий» и «вязкий» составляющие слои.
В промышленных масштабах производится широкий ассортимент многослойных пленок и комбинированных пленочных материалов, в которых полимерные слои сочетаются с бумагой, картоном, металлом или тканью. Количество слоев в таких пленках может составлять от двух до десяти и даже больше. При этом ряд слоев в такой системе может повторяться [1].
При всем разнообразии производимых пленочных материалов и широком спектре их характеристик наиболее важные показатели можно прогнозировать.
Прочностные показатели предварительно можно оценить следующим образом:
– усилие при разрыве пленочной системы обычно равно сумме усилий при разрыве составляющих ее слоев;
– предельная деформация при разрыве такой системы равна или несколько больше предельной деформации наиболее хрупкого из слоев;
– прочность сварных швов при низком значении сопротивления расслаиванию примерно равна прочности сварного шва индивидуальной пленки из материала термосвариваемого слоя такой же толщины. При высокой адгезионной прочности сварные швы гораздо прочнее;
Барьерные характеристики (паро-, газо- и ароматопроницаемость, жиро- и влагостойкость) подчиняются следующему правилу:
– если пленка состоит из слоев, близких по проницаемости, то общая проницаемость системы обратно пропорциональна суммарной толщине пленки;
– если проницаемость составляющих многослойную систему материалов различается во много раз, то защитные свойства системы определяются наименее проницаемым из слоев.
Для повышения защитных свойств пленок и стабильности их показателей при контакте с агрессивными средами следует соблюдать следующее правило – со средой должен контактировать материал, наименее проницаемый для компонентов этой среды.
Такие свойства, как термосвариваемость многослойной пленки обеспечиваются наличием в композиции хотя бы одного термосвариваемого слоя [8].
Для создания гибкой упаковки наиболее распространен многослойный пленочный материал: ориентированный полипропилен (ОПП) в сочетании с металлизированным ОПП. Так как, он имеет высокую механическую прочность, стойкость к проколам, ударную прочность, высокие барьерные характеристики. ОПП прозрачен, а металлизированный ОПП создает защиту продукта от света, что особенно важно для продуктов чувствительных к свету (жиросодержащих), дополнительно увеличиваются барьерные характеристики, прочность и стойкость к различным веществам. Лучше выглядит печать. Металлизацию также используют для декорирования – улучшения дизайна.
Материал ориентированный полипропилен (ОПП) в сочетании с ОПП металлизированным используют для упаковки печенья, где нужны особенно хорошие барьерные свойства к кислороду и водяным парам. Их же применяют для упаковки хрустящего картофеля и других видов сухих завтраков, предельно чувствительных к кислороду и проникновению паров воды. В такие пленки упаковывают также кондитерские изделия и пачки сигарет [16].
Недостаток ОПП – плохая свариваемость. Для устранения этого недостатка ОПП покрывают термолаком или совмещают с неориентированным полипропиленом или с полиэтиленом. В комбинации ОПП с ПЭВД, когда полиэтилен является внутренним слоем, используют для упаковки сыпучих, пылящих, сухих и жидких продуктов (сухого молока, сливок, сахара, молока и молочных продуктов, замороженного мяса, рыбы и морепродуктов, сухофруктов, выпечки; удобрений). Так как, полиэтиленовая пленка обладает хорошей водостойкостью (не пропускает и не отсасывает влагу, то есть хорошо сохраняет микроклимат внутри упаковки), имеет высокие барьерные характеристики по паро- и жиропроницаемости, является ароматонепроницаемой, жиростойкой и морозостойкой (до -700С). Хорошо термосваривается при нагревании до 110–1400С, образуя прочные герметичные швы, пригодна для жирных и мокрых продуктов, обладает высокой прочностью и стойкостью к раздиру. Но пленка проницаема для углекислого газа и кислорода, что дает возможность использовать ее в качестве упаковки «дышащих» продуктов и не позволяет применять пленку для вакуум-упаковки. Выше перечисленные недостатки компенсируются при соединении полиэтилена высокого давления с ориентированным полипропиленом [12].
Полимеризация этилена может идти в широком диапазоне температур и давлений, но в большинстве промышленных процессов производства применяют давление от 100 до 300 МПа и температуры от 100 до 300ºС. При температуре выше 300ºС идет деструкция ПЭ. Первым инициатором являлся кислород, однако применяли и другие инициаторы и модификаторы. Концентрация кислорода служит критическим параметром. Процесс является экзотермическим, и одной из первоначальных трудностей был отвод избытка тепла от реакторов.
Этилен тщательно очищают и пропускают над катализатором из восстановленной меди для удаления следов кислорода, после чего вводят определенное количество кислорода, необходимое в качестве инициатора, и газы сжимают в многостадийных компрессорах. Затем с помощью компрессоров специальной конструкции газы закачивают в реакционный аппарат. В любом случае должен быть обеспечен тщательный контроль концентрации катализатора, давления и температуры. Непрореагировавший этилен отделяют от расплава полимера и возвращают в реактор. Далее полимер экструдируют в виде непрерывных жгутов, отверждаемых при охлаждении (обычно в водяной ванне) и нарезаемых на гранулы.
Пленочные марки обычно подвергаются дополнительному процессу гомогенизации в смесителе, рафинере или шнековом экструдере.
Простейшая структура молекулы ПЭ – совершенно неразветвленная цепь звеньев – СН
~ СН - СН - СН ~.Однако энергонасыщенность процесса при высоком давлении препятствует росту прямой цепи, и образуется много боковых ответвлений, которые в значительной степени определяют свойства ПЭВД.
СН
- СН - СН -СН ~