На сегодняшний
день известны два основных способа
изготовления пленок:
метод «выдувной экструзии»
и метод
«плоскощелевой экструзии».
Слово «экструзия»
имеет греческое происхождение
и означает «проталкивание», что
весьма точно характеризует начало
процесса. Экструдер, осуществляющий процесс
экструдирования полимера, напоминает
обычную мясорубку и состоит из материального
цилиндра и размещаемого внутри него червячного
пресса, который, вращаясь, должен проталкивать
сырье к выходу экструдера.
Поскольку исходное
сырье поставляется, как правило,
в виде гранул, и засыпается в
загрузочный бункер на входе экструдера,
материальный цилиндр по всей его
длине окружают нагревательные элементы,
задача которых - нагреть гранулы
и постепенно, по мере их продвижения
к выходу экструдера, превратить их
в расплав.
Далее этот расплав
проходит через фильтр, который необходим
для задержки посторонних частиц
и загрязняющих включений, и попадает
в экструзионную головку – выдувную
или плоскощелевую, в зависимости от применяемого
метода.
И в том, и в
другом случае назначение головки –
превратить расплав полимера в пленку,
поэтому ее по праву можно считать
сердцем экструзионной линии.
Выдувная экструзия
Выдувная экструзионная
головка представляет собой цилиндр, внутрь
которого с небольшим зазором вставляется
сердечник (дорн), по периметру которого
проточены спиральные каналы, более глубокие
на участке попадания в них расплава, и
сходящие на нет при его выходе из головки.
В зависимости от
конструкции головки, расплав может
попадать в спирали из специальных
отверстий, проточенных в центральной
части дорна (подача расплава изнутри),
или же непосредственно, снаружи (наружная
подача).
Во втором случае
обеспечивается наименьшее время очистки
каналов при смене рецептур, а
также уменьшается вероятность
подгара некоторых сырьевых компонентов,
чувствительных к перегреву (например,
полиамида PA), поскольку расплав находится
только в спиральных каналах.
Нагрев экструзионной
головки осуществляется с помощью кольцевых
нагревателей, поддерживающих заданную
температуру с помощью терморегуляторов.
В случае выдувной экструзии выдув, может
осуществляться как вверх, так и вниз,
в зависимости от типа получаемой пленки.
При выдуве по схеме
«снизу вверх» расплав сразу же после
выхода из кольцевой фильеры головки превращается
в пузырь за счет герметизации верхней
части пузыря и подачи внутрь него сжатого
воздуха, раздувающего образовавшуюся
рукавную пленку до требуемого диаметра.
Одновременно этот пузырь охлаждается
сжатым воздухом по всему периметру с
наружной, а в ряде случаев, для повышения
эффективности охлаждения с помощью системы
IBC (Internal Bubble Cooling) – и с внутренней стороны,
и вытягивается наверх с помощью приемно-вытяжных
валков.
При выдуве «сверху
вниз» расплав из кольцевой фильеры головки
направляется вниз и проходит через ванну
с водой для резкого охлаждения, благодаря
чему приобретает гораздо более высокую
прозрачность, чем в первом случае. После
охлаждения пузырь складывается с помощью
двух сходящихся панелей и в виде плоскосложенного
рукава направляется к намоточному устройству,
имеющему одну или две станции.
Одностанционный намотчик
применяется в случае, если конечный продукт
– рукав, свернутый в рулон. Если же рукав
разрезается с двух сторон, то каждое из
образовавшихся полотен направляется
на свою намоточную станцию – в этом случае
необходим двухстанционный намотчик.
Выдув «снизу вверх»
широко используется для изготовления
термоусадочных пленок, где главный принцип:
«сильнее раздув – больше степень усадки».
Варьируя коэффициент
раздува (BUR – blow up ratio) и применяя соэкструзию
(подсоединению к одной экструзионной
головке нескольких экструдеров, каждый
из которых предназначен для подачи своего
материала). Можно производить широчайший
ассортимент как однослойных, так и многослойных
пленок, используемых как для общей упаковки,
так и для специальных целей (например,
барьерная пленка для пищевой промышленности,
для использования в медицине, и др.)
Пленка, получившаяся
в результате такого производства,
считается условно неориентированной
– прочность тонкой пленки при
ее растяжении по любому направлению
сравнительно невысока. Можно ли повысить
прочность пленки, сохранив ее толщину
на прежнем уровне? Ответ на этот
вопрос дает метод, получивший название
«Double Bubble» (двойной раздув).
Начало процесса
совпадает с выдувом по схеме «сверху
вниз», однако после прохождения через
водяную ванну рукав не отправляется сразу
на намотчик, а складывается и вытягивается
с помощью приемно-вытяжных валков наверх
башни. Далее рукав проходит сверху вниз
через систему печей, нагревающих его
для увеличения пластичности, и, наконец,
следует очень сильный раздув в поперечном
направлении TD (Transversal Direction), благодаря
чему пленка приобретает в этом направлении
повышенную прочность и, как уже было сказано,
способность к усадке. Одновременно, за
счет разницы скоростей приемно-вытяжных
валков наверху башни и приемных валков
на намотчике, пленка растягивается в
продольном направлении MD (Machine Direction).
Таким образом, пленка
оказывается сориентированной в
двух направлениях и обладает при
этом отменными усадочными свойствами.
Пленка, изготовленная
с помощью данного метода, может
иметь толщину до 35 мкм. Используется
для упаковки наборов одноразовой
посуды, компакт-дисков и видеокассет,
фотоальбомов и игрушек, и вообще
любых предметов, имеющих сложную
геометрическую форму или требующих
соединить несколько предметов
друг с другом в единую упаковку
(например, чашка и блюдце).
В принципе, имеется
возможность уменьшить или даже
полностью устранить усадочные
свойства пленки, протянув ее после
изготовления через специальную
печь с захватами, удерживающими
пленку за края и препятствующими
ее усадке, но данный способ применяется
крайне редко по чисто экономическим
причинам.
Существует еще
одна разновидность ориентирования
пленки, получившая название «Triple Bubble»
(тройной раздув). Не углубляясь в тонкости
технологии, в первом приближении можно
сказать, что это метод «Double Bubble», дополненный
еще одной башней, назначение которой
– уменьшить усадку до заданного уровня.
Такая технология используется
для изготовления колбасных и
сосисочных оболочек, имеющих толщину
от 70 мкм и обладающих высокими барьерными
свойствами по отношению к кислороду.
А также для производства пленок
с мембранным эффектом, которые в
силу эффекта избирательности являются
барьером для одного газа и, вместе
с тем, могут пропускать другой газ
без каких-либо проблем.
Такая упаковка используется,
например, для хранения некоторых
сортов мягкого сыра, который, находясь
внутри упаковки в стадии вызревания,
выделяет углекислый газ, который необходимо
выпустить наружу и, вместе с тем,
не допустить проникновения внутрь
упаковки кислорода из окружающей атмосферы.
Наконец, существует
еще один способ повышения прочности
пленки, получивший название «Cross linked»
(сшитая структура). Суть способа – в прогоне
пленки (в процессе ее изготовления или,
с несколько худшим результатом, с перерывом
во времени) через камеру, где она подвергается
облучению рентгеновскими лучами. При
этом увеличивается количество межмолекулярных
связей (молекулы как бы сшиваются друг
с другом), и пленка становится прочней.
Этот способ в
силу опасности производственного
процесса не получил широкого распространения
в Европе и в настоящее время
используется главным образом в
США.
Плоскощелевая (каст)
экструзия
В основе процесса,
как и при выдувном способе
– экструдер (или экструдеры –
в случае многослойной соэкструзии),
который подает расплав через фильтр в
распределительный блок, задача которого
– распределить расплав по всей ширине
плоскощелевой головки. Плоскощелевая
головка в первом приближении представляет
собой конструкцию с двумя пластинами,
щель между которыми регулируется с помощью
специальных термоштифтов, размещенных
по всей ширине плоскощелевой головки,
и задает количество расплава, вытекающего
на вращающийся под головкой главный (поливной)
барабан.
Задача последнего
– резко охладить расплав, превратив
его в пленку (отсюда и другое
название данного способа – «каст»-
что переводится как «отливка»),
- для этого он охлаждается оборотной
водой от промышленного водяного
холодильника (чиллера).
Для того чтобы изменить
толщину пленки, достаточно ускорить
или замедлить вращение барабана,
что упрощает процесс перехода на
новый ассортимент продукции
и снижает требования к обслуживающему
персоналу.
Далее пленка огибает
второй барабан, охлаждающий ее другую
сторону, проходит через осциллирующее
устройство разгона разнотолщинности
и попадает на одностанционный намотчик
(так как при этом способе пленка всегда
производится только в виде полотна).
В силу технологических
особенностей плоскощелевой способ
предусматривает обязательную обрезку
кромок пленки, что предопределяет
необходимость их переработки для
вторичного использования или потерь
при утилизации.
Вместе с тем
плоскощелевая экструзия имеет
массу преимуществ перед выдувным
способом, главные из которых следующие:
- лучшие оптические свойства
- низкая разнотолщинность
- высокая плоскостность
- высокая производительность
- простота изменения толщины пленки
- меньшая высота линии.
Пленка, получаемая
на обычной каст-линии, всегда является
неориентированной, что не дает возможности
использовать данный способ для производства
термоусадочных пленок. Однако существует
технология «Tenter-Frame», позволяющая производить
ориентацию каст-пленки в двух направлениях
(MD и TD) и получать, таким образом, двухосноориентированную
пленку, например, BOPP, которая сегодня
является, пожалуй, одним из самых востребованных
и конкурентоспособных продуктов на рынке
пленок. В основе технологии лежит все
та же плоскощелевая экструзия, но после
вытекания расплава из плоскощелевой
головки он попадает на поливной барабан,
вращающийся в водяной ванне (аналогично
технологии «Double Bubble»).
Далее получившаяся
достаточно толстая пленка проходит
через ряд подогреваемых барабанов
и в уже размягченном состоянии
попадает в секцию ориентации, где
захватывается по краям специальными
захватами, находящимися на подвижной
цепи (с каждой стороны пленки), и
увлекается по направлению к намоточному
устройству, постепенно расширяясь в
поперечном и разгоняясь в продольном
направлениях.
При этом пленка становится
более тонкой и приобретает чрезвычайно
высокую прочность, но, в отличие
от «Double Bubble», не обладает способностью
к усадке.
Заметим, что идеальная
упаковка для круп, макаронных изделий
и других аналогичных продуктов
представляет собой комбинацию из наружной
ориентированной полипропиленовой
пленки (BOPP) и внутренней неориентированной
полипропиленовой пленки (СРР), первая
из которых придает упаковке высокую
прочность, но отличается повышенной хрупкостью
(как чугун), а вторая за счет своей
эластичности (как сталь) предохраняет
упаковку от разрушения при падении
на твердую поверхность с большой
высоты (например, с прилавка магазина).
Соэкструзия
Соэкструзией принято
называть процесс получения многослойных
материалов, представляющих из себя комбинацию
из нескольких полимерных слоев, за один
цикл.
С помощью этого
метода можно производить огромный
ассортимент пленок со свойствами,
которые невозможно получить путем
обычной – однослойной - экструзии.
Например, можно
изготовить пленку, у которой липкой
будет только одна из сторон (такая
пленка, получившая название «маскинг-пленки»,
служит для защиты полированных алюминиевых
поверхностей, стекла, мебели и других
изделий от механических повреждений).
Метод соэкструзии
позволяет производить так называемые
«барьерные пленки» с заданными барьерными
свойствами по отношению к различным газам
и жидкостям. Обеспечить пленке требуемую
химическую и механическую стойкость,
усадочные свойства, прочность на удар,
прокол и на раздир, склеиваемость, устойчивость
к воздействию высоких или низких температур,
эластичность или жесткость, способность
в течение длительного времени хранить
вкусовые качества и аромат пакуемого
продукта.
Появились материалы,
сочетающие прочность чугуна с пластичностью
стали, высокую прозрачность и блеск
– со способностью препятствовать
запотеванию при перепаде температур
(анти-фог), способность служить заданное
время в качестве упаковки и разлагаться
под действием бактерий или света без
загрязнения окружающей среды, и т.д. Аналогичные
методы применяются и при производстве
других пластмассовых изделий – например,
многослойных бутылок и контейнеров. То,
что еще недавно казалось псевдонаучной
фантастикой, сегодня превратилось в реальность!
Метод соэкструзии
помогает попутно решить и экономическую
проблему – снизить издержки производства
за счет изготовления пленки за один цикл
(вместо многоступенчатого процесса),
а также использования менее дорогих полимеров
или даже отходов пластмассового производства
во внутренних слоях пленки.
Сухое каширование,
ламинация и экструзионное ламинирование
Несмотря на достижения
соэкструзии, существуют структуры, которые
в принципе невозможно изготовить на одной
экструзионной линии, например, сочетание
«металлизированный полипропилен + полиэтилен»
или «алюминиевая фольга + полипропилен».
Для того чтобы «соединить
несочетаемое», разработали методы, получившие
название «сухое каширование», «ламинация»,
а также «экструзионное ламинирование»,
комбинирующего первые два метода между
собой.
Сухое каширование
Для соединения двух
материалов между собой по методу
сухого каширования сегодня в подавляющем
большинстве случаев используется бессольвентный
ламинатор, в котором для соединения материалов
между собой применяется двухкомпонентный
клей без растворителя.
Такой ламинатор
гораздо компактнее, чем модели,
построенные на использовании клея
с растворителем (так как не требуется
громоздкая камера сушки), а также
снижает стоимость производственного
процесса (нет расхода растворителя
и энергозатрат на сушку, не возникает
проблем с пожароопасностью помещения).
Конструкция ламинатора
представляет собой два размотчика,
на которые устанавливаются подлежащие
соединению материалы, и намотчика,
предназначенного для готовой продукции.
Размоточные и намоточное устройства
расположены на прочных стойках, соединенных
друг с другом с помощью мостовой конструкции.
Сердце ламинатора – станция клеепереноса.
Именно от ее правильной
работы зависит количество наносимого
на вторичный материал клея, а также
его равномерное распределение
по всей ширине материала, что, в конечном
счете, определяет качество каширования.
Оба материала необходимо
выровнять по отношению друг к
другу, поэтому для обоих размотчиков
используются корректоры положения
кромки полотна и системы натяжения,
следящие за тем, чтобы при соединении
материалов друг с другом не возникало
складок и морщин. С помощью
ламинатора можно изготовить такие
известные всем продукты, как упаковка
для сливочного масла, для мороженого,
комбинацию «фольга + полиэтилен», образующую
колпачок, закрывающий горлышко бутылки
с шампанским, и многое-многое другое.
Ламинирование
При этом способе
плоскощелевая головка располагается
над протягиваемым под ней
материалом, в результате чего на него
наносится слой расплава полимера или
клей. Подобным способом можно изготовить
огромный спектр материалов, например,
комбинацию «бумага + полиэтилен», которая
используется для оборачивания стандартной
пачки бумаги формата А4 состоящей
из 500 листов. В принципе, подобную структуру
можно было бы изготовить и методом сухого
каширования, но себестоимость конечного
продукта будет в этом случае гораздо
выше, так как ламинатор не способен работать
с тончайшим полиэтиленом толщиной 8-10
мкм.
Экструзионное ламинирование
Как мы уже говорили,
этот способ представляет собой сочетание
сухого каширования и ламинирования и
не может претендовать на универсальность,
так как предназначен для выпуска очень
узкого, заранее заданного ассортимента
продукции.
Зато его экономичность
– гораздо выше, так как конечный
продукт получается, как правило,
всего лишь за один прогон.
Таким способом можно
произвести сложные многокомпонентные
структуры, такие, например, как «фольга
+ бумага + полиэтилен» или «фольга
+ полиэтилен + бумага + сополимер полипропилена»,
и др.
Полимерные пленки
различаются по своим оптическим,
химическим и механическим характеристикам,
возможностям нанесения печати, а
также по уровню герметических свойств.
|