Методы экструзии пленок

Под экструзионным производством понимают способ переработки полимерных материалов непрерывным продавливанием их расплава через формующую головку, геометрическая форма выходного канала которой определяет профиль получаемого изделия пли полуфабриката.

Основным оборудованием экструзионного процесса является червячный пресс или экструдер, оснащенный формующей головкой. В экструдере полимерный материал расплавляется, пластицируется и затем нагнетается в головку. В абсолютном большинстве случаев используются различные модификации одно- и двухчервячных экструдеров, называемых также червячными прессами. Иногда применяют дисковые и поршневые пластикаторы.

Различают два основных метода экструзии пленки: экструзия с раздувом рукава и плоскощелевая экструзия. Первый метод позволяет получить пленочный рукав, который может быть сложен или разрезан, а по второму методу получают плоскую пленку. Агрегат для экструзии пленки включает в себя экструдер, снабженный соответствующей головкой (фильерой), узел охлаждения расплавленной пленки, тянущий механизм и наматывающее устройство.

Для разных методов экструзии используют различные конструкции экструзионных головок и типы охлаждения пленки.

Тянущие устройства и узлы намотки также различаются.

Конструкция и принципы работы экструдера и головки одинаковы для обоих методов и вкратце рассмотрены здесь до рассмотрения различных методов производства пленки. В процессе экструзии происходит непрерывное превращение термопластичного материала в виде гранул в изделие, например в пленку.

Последовательность стадий процесса приведена ниже:

1) пластикация сырья в виде гранул или порошка;

2) дозирование пластицированного расплава через фильеру, которая придает ему требуемую форму (например, рукава или плоской пленки);

3) охлаждение и фиксирование требуемой формы;

4) намотка в рулоны.

Стадии 1 и 2 происходят в экструдере, стадии 3 и 4 являются вспомогательными.

Типичный экструдер содержит главный рабочий орган — архимедов винт (шнек), который вращается внутри нагретого цилиндра. Полимерные гранулы поступают через загрузочную воронку, установленную на одном конце цилиндра, и перемещаются с помощью шнека вперед, вдоль цилиндра к головке. При движении вперед гранулы расплавляются за счет контакта tf горячими стенками цилиндра и за счет тепла, выделяющегося от трения. Разогрев за счет трения (экзотермическое тепло) весьма ощутим в современных высокоскоростных машинах и может обеспечить все тепло, требуемое для устойчивого течения, наружный обогрев нужен только для предотвращения остановки машины при пуске, когда материал холодный. Шнек затем продавливает расплавленный полимер через фильеру, которая определяет конечную форму.

Обычно конструкция шнека выбирается в соответствии с видом перерабатываемого полимера. Шнеки характеризуются отношением их длины к диаметру L / D и степенью сжатия. Степень сжатия — это отношение объема витка шнека у загрузочного отверстия к объему витка со стороны головки. Как правило, в одношнековых экструдерах применяют шнеки с отношением L/D от 15: 1 до 30: 1 и степенью сжатия от 2:1 до 4:1.

Шнек экструдера обычно состоит из трех зон: загрузки, сжатия и дозирования. Зона загрузки транспортирует полимер от отверстия под бункером к более горячим секциям цилиндра. Зона сжатия — это зона, где уменьшается глубина нарезки, а значит, и объем витка, что приводит к сжатию плавящихся гранул. Главный эффект сжатия — увеличение сдвигового воздействия на расплавленный полимер, обусловленного взаимным движением поверхности шнека относительно стенки цилиндра. Это улучшает смешение, увеличивает разогрев от трения и приводит к более однородному распределению тепла в расплаве. Назначение последней зоны шнека — дальнейшая гомогенизация расплава, однородное дозирование его через формующую головку, сглаживание пульсации на выходе.

Перед головкой расположена решетка, поддерживающая пакет сеток с крупными и мелкими отверстиями. Эти фильтрующие сетки удаляют загрязнения, которые содержатся в сырье. Это особенно важно в случае получения тонких экструзионных пленок, где даже мельчайшие загрязняющие частицы могут образовывать дырки и даже разрушать пленку. Пакет сеток увеличивает также противодавление в экструдере, что улучшает перемешивание и гомогенизацию расплава.

В шнеке обычно есть канал для обогрева его паром или охлаждения водой. Когда требуется максимальное смешение, шнек охлаждают. Это улучшает качество экструдата, но немного понижает производительность.

Выбор правильной конструкции фильеры — важнейшее условие течения материала без «мертвых зон», где материал может застаиваться и разлагаться из-за перегрева. Это особенно важно в случае ПВХ, у которого точка разложения материала близка к температуре, необходимой для нормального течения.

Одно из последних новшеств в конструкции экструдеров — зона дегазации, позволяющая удалять из расплава все летучие компоненты до выхода из головки. Это достигается освобождением расплава от состояния сжатия, в котором он находился, в результате чего вода и другие летучие испаряются, а расплав вспенивается. Фактически используется система как бы из двух шнеков, разделенных зоной дегазации. Первый имеет три секции — загрузки, сжатия и дозирования, причем последняя имеет мелкую нарезку и обычно заполнена. Второй шнек имеет зону дегазации, заполняемую расплавом первого шнека, за которой снова следует зона дозирования. Зона дегазации имеет более глубокую нарезку, чем последний виток первого шнека; таким образом, полимер внезапно попадает в больший объем, вследствие чего давление падает.

Образующаяся при выделении летучих пена снова сжимается и подается в головку. Летучие пары удаляют или через вентиляционные отверстия в цилиндре, или через полость в шнеке и отверстие в одном из гребней шнека в зоне дегазации. Иногда используют вакуум для облегчения удаления газов. Вакуумные воронки можно использовать для сухосмешанных порошков с целью уменьшения пористости, когда шнек должен быть уплотнен, чтобы предотвратить просыпание порошка.

Выпускают и многошнековые экструдеры, чаще — двухшнековые, которые имеют свои преимущества и недостатки. В целом многошнековые машины дороже из-за более сложной конструкции и менее устойчивы в работе, однако обладают лучшими свойствами транспортировки и смешения. Из-за более высокого напорного эффекта многошнековые экструдеры производят меньше сдвигового тепла, что делает их очень подходящими для материалов, чувствительных к перегревам, имеющих низкий коэффициент трения и тех, что должны выходить из головки при низких температурах.

Экструзия с раздувом рукава

Расплавленный полимер из экструдера поступает в головку сбоку, но может быть подан и снизу. Очутившись в головке, расплавленный полимер обтекает мундштук и выходит через кольцевое отверстие головки в форме трубы. Трубу раздувают до необходимого диаметра давлением воздуха, подаваемого через центр мундштука. Раздув рукава сопровождается соответственным уменьшением толщины пленки. Экструдирование рукава обычно осуществляют вверх, иногда вниз и даже горизонтально. Давление в рукаве поддерживают зажимными валками с одной стороны и головкой — с другой. Важно, чтобы давление воздуха поддерживалось постоянным для обеспечения равномерной толщины и ширины пленки. Другие факторы, которые оказывают влияние на толщину пленки: производительность экструдера, скорость вытяжки и температуры головки и цилиндра. Их необходимо строго контролировать.

Как и при любых процессах экструзии, раздув пленки становится более экономичным при увеличении скорости процесса. Ограничивающим фактором является скорость охлаждения рукава. Охлаждение обычно производят обдувочным кольцом снаружи рукава. При условии постоянного течения воздуха увеличение скорости экструзии приводит к более высокой линии кристаллизации (линия, где начинается затвердевание экструдата), что ведет к нестабильности рукава. Увеличение потока воздуха приводит к более быстрому охлаждению рукава и снижению линии кристаллизации, но и этот прием ограничен в своем применении, так как слишком высокая скорость потока воздуха вызывает деформацию рукава. Были разработаны различные формы колец для воздушного охлаждения. Она состоит из кольца конической формы, снабженного тремя щелями для воздуха, при этом потоки воздуха направлены и отрегулированы так, что расстояние между рукавом и кольцом постепенно уменьшается к верху кольца. Это приводит к улучшенному охлаждению за счет увеличения потока воздуха. Эта конструкция создает также зону пониженного давления в верхней части кольца, что повышает стабильность рукава.

Экструзия рукавных пленок чрезвычайно сложна, существует много проблем, связанных с производством высококачественной пленки. Среди многих возможных дефектов можно назвать разнотолщинность, поверхностные дефекты, такие как «апельсиновая корка», «яблочный соус», «рыбий глаз», низкая прочность и стойкость к удару, мутность, складки и слипание. Складки являются постоянной проблемой, они приводят к отбраковыванию пленки и могут возникнуть из-за множества причин даже в хорошо отрегулированных производствах. Если пленка, например, достигает вытяжных валков холодной, она становится неэластичной и может загибаться на валках и образовывать складки. Одним из методов повышения температуры пленки у зажимных валков — повышение температуры расплава, что может повлечь за собой другие проблемы, такие, как слипание. Фактически это иллюстрация всего метода раздува пленки, где часто необходимы компромиссные решения для достижения наилучшего сочетания свойств. Складки часто вызваны неотрегулированным зазором в фильере. Вследствие этого возникает разница в толщине пленки и неравномерная вытяжка в вытяжных валках. Складки могут возникать из-за сбоев в экструдере или вследствие потоков воздуха в зоне вытяжки. Оба эти фактора могут привести к раскачиванию рукава и, таким образом, к складкам при намотке. Рукав пленки можно стабилизировать, поддерживая его стационарными горизонтальными направляющими («щеками»), или защитить весь экструдер от колебания потоков воздуха пленочной завесой. Другими причинами дефектов могут быть: непараллельность направляющего вала и вытяжных валов, неравномерность давления вдоль щели валков.

Среди дефектов поверхности, упоминавшихся ранее, дефект «рыбий глаз» появляется из-за некачественного смешения в экструдере и загрязнений. Оба эти фактора контролируются сетчатым фильтром, который не только отделяет загрязняющие частицы, но и улучшает однородность расплава за счет повышения давления в экструдере. Дефекты «апельсиновая корка» и «яблочный соус» также являются дефектами поверхности, происходящими из-за неоднородности расплава полимера.

Поскольку подавляющее большинство пленок изготавливают из полиэтилена низкой плотности, полезно рассмотреть влияние различных параметров полимера, таких как показатель текучести расплава и молекулярная масса, на свойства пленок. Ударная вязкость, например, повышается с повышением молекулярной массы (т. е. с понижением температуры плавления) и с уменьшением плотности. Мешки, которые должны выдерживать большие нагрузки, обычно изготавливают из полиэтилена плотностью 0,916-0,922 г/см3 и ПТР = 0,2+ 0,5 г/10 мин. Для изготовления более тонких технических пленок, которые применяют в строительстве или для водонепроницаемых покрытий водоемов, должны быть использованы полимеры с более высоким ПТР из-за сложности вытяжки тонких пленок из вязких расплавов. Показатели текучести расплава от 1 до 2,5 типичны в этих случаях, поэтому и ударная вязкость меньше, чем у пленок для мешков. Зато улучшается прозрачность. Когда требуется баланс свойств, например умеренной прозрачности и умеренной ударной вязкости, то используют несколько более высокие плотности (0,920-0,925 г/см3) и ПТР в пределах 0,75-2,5. Когда требуется высокая прозрачность, применяют марки с высокими плотностью и ПТР, так как их увеличение приводит к повышению визуальной прозрачности, уменьшению матовости, повышению блеска. Высокопрозрачные пленки имеют относительно низкую ударную вязкость из-за высокого ПТР, и их нельзя употреблять для упаковки тяжелых предметов.

Экструзия поливной пленки

При экструзии плоской пленки расплавленный полимер продавливают сквозь щелевую фильеру, затем он попадает в холодную водяную ванну или на охлаждающий барабан. В любом случае смысл процесса состоит в быстром охлаждении экструдированной пленки, и поэтому охлаждение начинают на очень маленьком расстоянии от губок фильеры (обычно 25-65 мм). Такое расстояние диктуется также необходимостью уменьшить сужение пленочного полотна. При поливе на охлаждающий барабан используют хромированный полый вал с водяным охлаждением. Быстрое охлаждение приводит к формированию ма­леньких кристаллитов, что дает более прозрачную пленку. При использовании закалочной ванны температуру воды в ней необходимо поддерживать постоянной. При одной и той же температуре экструдирования чем ниже температура закалочной ванны, тем лучше пленка скользит и меньше слипается, а при высокой температуре пленку легче наматывать, не образуются складки, физические свойства такой пленки лучше. Щелевые фильеры для формования плоской пленки имеют большую ширину в сравнении с диаметром головки экструдера, а это означает, что путь, который проходит поток до краев фильеры, длиннее, чем путь до ее середины. Компенсации потока обычно достигают за счет фильеры с коллектором. Она содержит поперечный канал (или коллектор) такого диаметра, что сопротивление потоку в нем меньше, чем сопротивление, создаваемое губками фильеры. Назначение коллектора — компенсировать поток расплава — может быть реализовано, если вязкость расплава достаточно низка, поэтому для плоской пленочной экструзии необходима более высокая температура. Это ограничивает использование фильер с коллектором переработкой материалов с хорошей тепловой стабильностью. Другим следствием экструдирования при более высокой температуре является необходимость использования более плотных фильтров, для того чтобы поддерживать удовлетворительное давление. Внутренняя сторона щелевой фильеры должна быть тщательно обработана, так как даже небольшой дефект поверхности может привести к появлению шероховатости на пленке или разнотолщинности.

Сравнение способов получения пленки раздувом рукава и поливом

Некоторые из преимуществ процесса получения рукавной пленки:

1) механические свойства пленок, полученных таким образом, обычно лучше, чем у пленок, полученных поливом;

2) ширину сложенной рукавной пленки легче регулировать, нет потерь на обрезание кромок; обрезание кромок необходимо при изготовлении плоской пленки из-за утолщения кромок пленки, которое происходит вследствие сужения полотна;

3) сложенную рукавную пленку легче превратить в мешок, так как для этого необходимо только заварить один край отрезка рукава;

4) стоимость производства широкой раздувной пленки намного меньше, чем стоимость производства широкой поливной пленки, так как стоимость охлаждающих барабанов резко возрастает с увеличением их длины из-за сложности обработки длинных валов;

5) Хольцевые фильеры для пленки более компактны и дешевы по сравнению с щелевыми фильерами для производства плоской пленки сравнимой ширины;

6) процесс изготовления рукавной пленки легче и более гибок.

Эти преимущества следует сопоставить с преимуществами процесса, в котором используется щелевая фильера:

1) плоскощелевые экструзионные системы обеспечивают более высокую производительность;

2) пленки, полученные с помощью щелевой фильеры, обычно обладают превосходными оптическими свойствами, но следует отметить, что специальные процессы быстрого охлаждения были разработаны и для рукавных пленок, особенно из полипропилена

3) обычно разнотолщинность пленки, полученной с помощью щелевой фильеры, меньше.

Соэкструзия пленок

Соэкструзионную технологию применяют для расширения эксплуатационных возможностей погонажных изделий путем совмещения в них полимерных материалов с различными индивидуальными свойствами.

Большинство таких изделий имеет слоистую конструкцию, в которой материал каждого слоя формирует определенное эксплуатационное или технологическое качество. Так, например, для успешной конкуренции с традиционными материалами пищевой упаковки (фольга, стекло, целлофан и др.) современная пленка должна иметь высокую жесткость и ударную вязкость, обеспечивать длительность хранения продуктов, быть газонепроницаема, и при всем этом допускать высокоскоростные процессы переработки. Применение пластмасс, ранее не используемых совместно, например, ПЭВП и ПА; ПВХ и ПП; ПА, ПК, ПП и ПВДХ позволили получать тару для хранения промышленных и сельскохозяйственных химикатов, горючесмазочных материалов и пр. емкостью в сотни литров. Многослойные соэкструдированные листы, с числом слоев от 2 до 9, широко применяются в автомобильной и строительной промышленности для последующего термоформования изделий с длительным сроком использования (по уверениям фирм изготовителей до 20 лет). Особый интерес представляет соэкструзионная технология производства многослойных труб, шлангов, трубок, капилляров, в том числе медикобиологического назначения. Соэкструзией ПП и стеклонаполненного ПА получают напорные трубы и шланги для транспортирования газа, а также трубы, применяемые в устройствах горячего и холодного водоснабжения. В ряде случаев в многослойных конструкциях допускается использование вторичного полимерного сырья. Многослойность позволяет получать пленки с весьма тонкими отдельными слоями (2-5 мкм), что недостижимо при использовании других методов (ламинирование или каширова-ние). В сочетании с подложками из прочных полимеров (ПП, ПА, ПК, ПЭТФ) можно формовать слои из малопрочных полимеров такой малой толщины (5-15 мкм), которая совершенно невозможна при получении из тех же пластмасс однослойных пленок. Например, минимальная толщина однослойной пленки из СЭВА составляет 20 мкм, а в виде компонентов многослойных изделий она может быть уменьшена до 5 мкм. Таким образом, в конструкциях оказывается возможным использование тонких слоев из дорогостоящих, но эксплуатационно важных полимеров в сочетании с дешевыми, составляющими основную часть конструкции, пластиками.
Немалое значение имеет экономичность метода, при котором многослойная или гибридная конструкция изделия достигается одностадийным технологическим процессом, исключающим операции укладки отдельных слоев или элементов, грунтовки и склеивания.

Соэкструзия осуществляется раздельной пластикацией полимерных компонентов в одночервячных экструдерах с последующим соединением потоков расплавов различных полимеров в формующей головке. Таким образом, определяющей частью технологии соэкструзии являются процессы, происходящие в формующей головке. Все действия с экструдатом после его выхода из формующей головки (раздув, ориентация и др.) осуществляются по конкретным и достаточно традиционным технологиям.Естественно, что поскольку используемые в соэкструзии материалы имеют различные температуры плавления и отличаются по реологическим и теплофизическим характеристикам, то они пластицируются в своих оптимальных режимах, и подаются в головку, температура которой устанавливается по материалу с наиболее высокой температурой переработки. При этом очевидно, что, во-первых, сохранение расплавом в формующей головке требуемой слоистой организации будет определяться разной послойной вязкостью расплавов и, во-вторых, все используемые полимеры должны быть термостабильными при выбранной температуре переработки. В зависимости от устройства соэкструзионные головки бывают рукавными, плоскими листовыми и трубными. Количество слоев в изделии может достигать 9, минимальная толщина слоев 2 мкм, максимальная — 3000 мкм.К соэкструзионным головкам предъявляются весьма жесткие требования. Главное из них — обеспечение безупречной слоистой структуры изделия. Подразумевают сохранение равнотолщиности слоев в продольном и поперечном (радиальном) направлении при монолитности соэкструдированного изделия. Кроме того, головки должны быть (это соответствует логике их действия) универсальными по виду перерабатываемых материалов, а конструкция каналов головок, соответственно, обеспечивать минимальное сопротивление текущим расплавам. При этом подвижные сопряжения деталей головки выполняются по высокому классу точности, а конструкция в целом должна допускать технологическую сборку-разборку. Применяемые в головках конструкционные материалы предполагают эксплуатацию в условиях повышенных температур, давлений, термохимических процессов. При этом стоимость соэкструзионных головок должна быть экономически целесообразной, то есть минимальной.
Сочетание изложенных требований и условий делает задачу конструирования и изготовления соэкструзионных головок весьма сложной. В настоящее время трехслойные соэкструзионные головки являются наиболее отработанной конструкцией. Головки четырех- и пятислойные позволяют получать изделия структуры ABCD; АВСВА, ABCBD. Возможность применения в одном изделии нескольких разновидностей полимеров резко расширяет потенциал производимых материалов. Например, пленка структуры АВСВА толщиной 40-140 мкм и шириной 1000 мм, содержит два барьерных слоя из СЭВА и ПВДХ и может использоваться для пищевой и медицинской упаковок.

Ориентация пленок

Ориентацию пленок (растяжение их в нагретом состоянии) широко используют для таких пленок, как ПП, ПС, ПА, ПЭТ, для увеличения прозрачности, ударной прочности и особенно (в случае ПП) барьерных свойств.

Базовая ПС пленка в неориентированном состоянии очень хрупка и имеет крайне ограниченное применение в качестве диэлектрика в конденсаторах. Двухосноориентированные, т. е. ориентированные в двух взаимноперпендикулярных направлениях, пленки перестают быть хрупкими и могут быть отформованы в прозрачные коробочки, подносы и в более крупные изделия, например крышки для тортов. Самое широкое распространение процесс ориентации получил при производстве ПП пленок, и различные процессы будут проиллюстрированы на примере этих пленок. Существует два основных способа: плоский и рукавный. Схема плоской ориентации может быть проиллюстрирована на рис. 8.9. Поливом на холодный барабан, описанным выше, производят толстую поливную пленку толщиной 500-600 мкм. Ее подают в систему валков, вращающихся с различной скоростью, например валков, вра­щающихся с возрастающей от валка к валку скоростью. Валки подогревают для разогрева пленки до требуемой температуры (ниже температуры плавления полимера). В этих условиях пленку вытягивают в продольном направлении с коэффициентом вытяжки от 4:1 до 10:1. После выхода из валковой машины пленку подают в тентерную раму, которая состоит из двух независимых бесконечных ремней или цепей с установленными на них клуппами. Клуппы удерживают пленку, так что при движении клуппов вперед пленка вытягивается в перпендикулярном направлении примерно при тех же степенях вытяжки, что и в продольном. Пространство внутри тентерной рамы нагревают с точным поддержанием температуры. После тентерной рамы пленку охлаждают на охлаждающем валке и наматывают. Существует схема с обратной последовательностью процесса, т. е. сначала вдет тентерная рама, затем валковая машина.

Обе стадии можно проводить и одновременно. Пленку захватывают за кромки при выходе с поливного барабана, и она движется вперед с возрастающей скоростью, одновременно, растягиваясь в перпендикулярном направлении за счет расходящихся цепей. Механически этот тип ориентации можно осуществлять с помощью тентерной рамы, в которой клуппы двигаются червяком с увеличивающимся шагом. Степень поперечной вытяжки определяется, как обычно, углом расхождения цепей, а степень продольной вытяжки будет зависеть от величины шага червяка.
Как было показано, ориентация может быть достигнута и в рукавном процессе. Расплавленный полимер экструдируют из кольцевой головки и охлаждают в форме рукава. Толщина стенки рукава определяется • частично величиной щели кольцевой головки, а частично соотношением скоростей экструзии и при­емки. Рукав проходит через медленно вращающиеся прижимные валки и снова нагревается до однородной температуры. Поперечной вытяжки достигачхг за счет увеличения давления воздуха в рукаве, подгоняя коэффициент вытяжки регулировкой объема поданного внутрь воздуха. Воздух удерживается по­средством зажимных валков в конце раздува рукава; эти валки вращаются быстрее первой пары, вытягивая пленку в продольном направлении. Рукавный процесс — это тоже способ одновременной продольной и поперечной ориентации.

Оба метода позволяют получать различные пленки — от двухосноориентированных с изотропными свойствами, т. е. с равными степенями вытяжки в обоих направлениях, через двухосноориентированные пленки с анизотропными свойствами до полностью одноосноориентированных пленок (или в продольном, или в поперечном направлении). Одноосноориентированные пленки расщепляются при натяжении в направлении, перпендикулярном направлению ориентации, что снижает их полезность в качестве упаковочных пленок. Это явление используют, однако, в производстве пленочных волокон.

Если ориентированную ПП пленку нагреть примерно до 100°С непосредственно после растяжения, то она будет усаживаться. Усадку можно предотвратить путем термофиксации. Пленку нагревают при определенных условиях, удерживая в натянутом состоянии. После охлаждения такая пленка не будет усажи­ваться при температурах ниже температуры термофиксации. Физические и оптические свойства пленки остаются неизменными.

Вспененные пленки

Снижение плотности полимера за счет образования ячеистой структуры позволяет получать изделия с большей жесткостью при изгибе при данной массе полимера. Метод может быть использован для экструдируемых пленок и литьевых изделий, и его широко применяют для ПС, а с недавних пор для полиолефинов. Большей удельной жесткости материала достигают за счет того, что жесткость балки пропорциональна кубу толщины. Поэтому для единицы площади поверхности пленка удвоенной толщины может быть изготовлена из х граммов материала, если плотность уменьшена вдвое. Удвоение толщины означает увеличение жесткости в 23, т. е. в 8 раз для данного модуля, но модуль изменяется линейно с изменением плотности, так что уменьшение плотности вдвое уменьшает модуль вдвое и общий рост жесткости получается в 4 раза. Это может быть очень важным экономическим преимуществом.

Пленки из вспененного полистирола

Существует два главных метода получения вспененных пленок. Первый начинается от полистирольных гранул, которые под давлением пропитаны сжижаемым газом, обычно пентаном. Пленку экструдируют с раздувом, используя двухшнековый экструдер, при добавлении нуклеирующего агента типа смеси лимонной кислоты и бикарбоната натрия. Нуклеирующий агент полезен для получения тонкоячеистой структуры. Когда расплавленная масса выходит из экструзионной головки, давление падает, и материал начинает вспениваться. Метод раздува рукава используют для предотвращения морщения, наблюдающегося во время процесса вспенивания. Рукав обычно раздувают в горизонтальном направлении для облегчения стартового периода, так как ма­териал твердый и жесткий в отличие от ПЭ пленки. Когда рукав складывают, его обрезают с двух сторон с получением двух плоских листов, наматываемых отдельно. Это полезно, так как сложенные кромки рукава — слабое место из-за жесткости ПС.

Другой метод использует обычные ПС гранулы, а газ вводят в экструдер. Пленку раздувают тем же способом. Для этого метода необходим экструдер особой конструкции, экономичный только при больших производительностях — порядка 400 т/год. Экструзия вспенивающихся гранул дешевле при меньших произ­водительностях и более гибка, так как экструдеры можно использовать и для других целей. Степень ориентации листа в обоих направлениях регулируют, как обычно, подгонкой скорости приемки и степенью раздува. Степень ориентации должна быть одинакова в обоих направлениях, так как любое различие в прочности в двух направлениях может привести к расщеплению листа при термоформовании.

Вспененные полиолефиновые пленки

Их производят добавлением мастербатча к обычным гранулам и затем обычной экструзией с раздувом рукава. Мастербатч содержит вспенивающий агент и технологические добавки. Вспенивающий агент — это соединение, разлагающееся при температуре экструзии с выделением азота, который вспенивает рас­плавленную массу при экструзии. Когда масса покидает зону высокого давления в головке, газ диффундирует к неоднород-ностям расплава, и образуются пузырьки. Вспенивая расплав, газ растягивает полимер, чтобы создать ячейку. Поэтому температуру расплавленной массы нужно строго контролировать, так как она влияет на вязкость расплава.Пленки, производимые этим способом, имеют бумагоподобные свойства — внешний вид, жесткость, качество поверхности, складываемость, плотность порядка 600 г/л.

Дополнительная обработка пленки

Металлизация

Для целей термоформования одноразовой упаковки используются прозрачная, окрашенная в различные цвета и металлизированная пленка. Изначально производимая пленка (экструзионная или каландрированная) выходит прозрачной (в случае применения первичного сырья). При желании ее можно окрасить в различные цвета. При этом возможно два варианта. Во-первых, пленка может быть окрашена в массе, что достигается путем добавления на стадии перемешивания сырья специальных красителей. Во-вторых, можно добиться двухслойного окрашивания, при котором одна сторона пленки имеет один цвет, вторая сторона – другой. Вместе с тем, наибольший интерес представляет не простое окрашивание, а придание пленке эффекта «под серебро» и «под золото». Добиться этого можно посредством металлизации. Вакуумной металлизации могут быть подвергнуты любые полимерные пленки. ПЭТ пленки в этом случае имеют преимущество, которое обусловлено возможностью окраски под золото или бронзу без металлизации благодаря использованию современных красителей. Однако не всегда получается добиться хорошего эффекта, используя только красители. 100% -ый эффект «золота» или «серебра» для любой пленки достигается только за счет вакуумной металлизации.

При производстве пленок для последующего их формования в упаковку вакуумную металлизацию используют только для декорирования. Основой процесса является нагревание алюминия до температуры испарения. На практике для этого нужны температуры 1500-1800 С. Одним из способов достижения таких температур является помещение кусочка алюминиевой проволоки на вольфрамовое волокно, которое затем нагревают электрическим током. Это возможно только при коротких циклах нагрева, поэтому этот метод используют только для металлизации пластмассовых изделий, получаемых литьем под давлением. Для более длительных циклов, необходимых для пленок, алюминиевую проволоку подают на блок металла, обычно тантала. Тантал нагревают, помещая его в углеродный тигель, через который пропускают ток высокого напряжения. Испарение металла вызывает испускание частиц с поверхности металла во всех направлениях. Эту операцию нужно проводить в вакууме, чтобы металлические частицы могли достигнуть металлизируемой поверхности.

Необходимо помнить, что дефекты пленок невозможно скрыть тонким слоем металла, наоборот, дефекты могут быть даже подчеркнуты. Также важно пра­вильное натяжение при намотке и размотке в рулон, особенно для тонких пленок, так как складки могут привести к неравномерному нанесению алюминия.

Еще раз повторимся, для вакуумной металлизации пригодны разнообразные полимерные пленки, например полиэтилентерефталатные, полистирольные (как обычные, так и ориентированные), полипропиленовые, пленки из непластифицированного ПВХ и целлюлозные. Для термоформованной упаковки используются металлизированные пленки из ПВХ, ПЭТ и ПС, наибольшие распространение такие пленки получили в качестве декоративных вкладышей при упаковке конфет, шоколада, печенья и других кондитерских изделий.

Наилучшими свойствами в сравнении с другими материалами обладают металлизированные ПЭТ пленки. В добавление к великолепным декоративным свойствам металлизированные полиэфирные пленки устойчивы к влаге, кислороду и ультрафиолетовому излучению, кроме того, они сохраняют хрустящие свойства содержимого на три недели дольше, чем другие материалы.

Одним из усовершенствований установок для металлизации является использование набрызгивающих систем. Они используют плазму, удерживаемую магнитным полем в специальных симметричных устройствах — магнитронах. Эти системы можно использовать и в уже существующих камерах. Набрызгивающие системы имеют меньшую производительность, но их преимуществами являются сильная адгезия между подложкой и металлизирующим слоем, прекрасная воспроизводимость и гладкая поверхность, особенно в тонком слое, возможность напылять сплавы металлов. При этом методе меньше нагревается подложка. Другие тенденции связаны с применением не только алюминия, но и других металлов и неметаллических материалов. В настоящее время уже используют серебро, золото и цинк, рассматривают вопрос использования хрома, никель-хромовых сплавов и нержавеющей стали из-за их стойкости к кислотам и щелочам.
Среди перспективных неметаллических материалов оксиды алюминия и кремния обещают многое, так как они обладают высокими барьерными свойствами, а оксиды олова прозрачны и имеют антистатические свойства.

Процесс металлизации происходит в зоне испарения вакуумной камеры, обычно в условиях разрежения 5 x 10-4 мбар. Алюминиевая проволока подается на индивидуальные испарители, нагреваемые сопротивлением, где плавится и испаряется.

Ламинация пленок

Строго говоря, ламинирование представляет собой процесс совмещения двух или более рулонных полотен (пленок, бумаги или фольги) и соединения их с помощью клея или нагревания.Адгезивное ламинирование пригодно как для малых, так и для больших партий и подходит для одностадийного производства ламинатов, имеющих два и более компонентов.В процессе ламинации два или более материала соединяются друг с другом посредством склеивания. Одной из основных причин ламинации является объединение физических и механических свойств различных материалов.Процессы ламинирования могут быть разделены на две главные категории: мокрое кэширование и сухое кэширование. При мокром кэшировании используют адгезивы на основе растворителя или воды. Применяют его только тогда, когда один или более слоев проницаемы для воды или других растворителей, используемых в составе адгезива. В целом мокрое кэширование обычно не дает хороших результатов с полимерными пленками.В процессе сухого кэширования используют: 1) водную или ос­нованную на растворителе адгезивную пленку, которую высушивают перед ламинированием, или 2) клеи-расплавы на базе воска или полимеров. В первом случае ламинирующий адгезив на воде или растворителе наносят в строго определенных количествах на один из слоев методом глубокой печати или намазкой валками встречного движения, как описано выше. Покрытый слой затем проходит через печь для удаления всей воды или растворителя и затем комбинируется с другим слоем в зазоре под давлением между валками, которые иногда подогревают. В противоположность мокрому кэшированию этот процесс очень удобен для ламинирования полимерных пленок с другими субстратами.Факторы, влияющие на успех этого типа кэширования при ламинировании полимерных пленок, — это контроль натяжения, точность нанесения адгезива и точный контроль сушки. Натяжение пленки обычно должно быть сведено к минимуму и будет зависеть от расстояния, на котором пленка должна быть протянута через ламинирующее оборудование, и углов поворота при изменении направления по мере ее прохождения под валком. Эффективный контроль натяжения наиболее легко осуществляется в тех машинах, где обе разматывающих установки и валки в сушильной камере находятся на одной прямой. Если используют систему с покрывающими валками встречного вращения, валки не должны вращаться слишком быстро, иначе будет происходить торможение, способствующее увеличению натяжения пленки. Равномерное и точное нанесение адгезива чрезвычайно важно, и связанные с этим недостатки могут привести к расслоению. Любая система, использованная для нанесения покрытия, должна обеспечить необходимый уровень регулирования толщины покрытия. Вязкость адгезива — еще один фактор, и ее нужно поддерживать постоянной, насколько это возможно.Характеристика сушильной печи особенно важна при ламинировании полимерных пленок, где растворители не могут быть поглощены пленкой. Избыток растворителя, оставшийся в адгезиве при прохождении зазора между валками, является главной причиной расслоения.

Коронный разряд

Для придания пленке печатных свойств она обрабатывается коронным разрядом, что делает ее слегка шероховатой. Следует учитывать, что обычно обработанная таким образом пленка должна быть запечатана не позже, чем через полгода после производства. В некоторых случаях модули для частичного восстановления печатных свойств пленки включаются в состав флексографских машин.