Исследование прочностных свойств упаковочных многослойных полимерных пленочных материалов, полученных методом каширования, страница 11

В процессе изготовления МПМ возможны следующие дефекты:

• непроклеенные полосы (образуются в результате кристаллизации клея при простое машины более 15 минут);

• плохо проклеенные участки (вследствие плохой работы дозатора смесевой станции);

• склеивание рулона (происходит при затекании клея в кромки полотна);

• сладки или скручивание материала (образуются при неравномерном натяжении полотна материала).

Контроль качества осуществляют: машинист постоянно; сменный мастер регулярно не реже 3-5 раз в смену; контролер ОКК выборочно не реже 2 раз в смену.

Кашированный продукция должна соответствовать требованиям нормативных документов.

1. Подготовка образцов кашированного материала

Полученный материал представляет собой многослойную конструкцию, в которой можно выделить основные слои: ПП со слоем металлического покрытия, ПЭТФ, с нанесенной флексографическим способом многокрасочной печатью, а также слой адгезива. Таким образом, данная многослойная пленка содержит не три слоя, как может показаться на первый взгляд, а пять слоев (рис. 3.1.2.2.1). Однако слои печати и металлизации вносят малый вклад в прочностные свойства многослойной пленки на данном этапе изучения прочностных свойств МПМ. Как видно из схемы в дальнейшем будем рассматривать слои ПП и ПЭТФ с нанесенными на них покрытиями как отдельные слои.

Дальнейшая подготовка образцов многослойного материала велась по аналогии с однослойными пленками с соблюдением тех же требований.

Рис. 3.1.2.2.1. Схема расположения слоев кашированного материала:

1 – ПЭТФ;

2 – слой многокрасочной печати;

3 – слой адгезива;

4 – слой металла;

5 – ПП.

Испытание на одноосное растяжение

Испытания полимерных пленок на растяжение проводились на универсальной испытательной машине EJA Tensile Tester фирмы Twing Albert. Эта машина обладает широким спектром возможностей для испытания различных пленочных материалов:

• испытание на одноосное растяжение;

• испытание на одноосное сжатие;

• испытание на прогиб;

• испытание на поверхностное трение материала;

• испытание на износ (поверхностное истирание и раздир);

• испытания на циклические нагрузки;

• определение разрывной длины.

Каждое испытание включает описание процесса изменения образца, параметров входных данных теста и расчетных результатов испытаний.

Конструкция машины (рис.3.2.1) включает разрывную машину и прибор для измерения усилия при растяжении и относительного удлинения, а программное обеспечение позволяет получить расчетные значения таких величин, как: предел прочности при разрыве, прочность при растяжении, относительное удлинение при разрыве (растяжении), касательный модуль, модуль Юнга, предел текучести.

Пульт управления (рис. 3.2.2) позволяет откалибровать машину и установить необходимые параметры испытаний (в данном случае, испытание на одноосное растяжение): толщину материала, расчетную длину образца, скорость нагружения.

После ввода необходимых установок образец закрепляется в зажимах и проводится испытание, входе которого в автоматическом режиме постоянно измеряется нагрузка и удлинение образца. Общий вид зависимости «нагрузка—удлинение» показан на рис 3.2.4. Значения усилия фиксируются до области чувствительности на разрыв (Fail sensitivity), установленной предварительно.

Результаты испытания на одноосное растяжение, полученные в данной дипломной работе были, можно считать достоверными, так как испытание проводилось на высокоточном оборудовании в соответствии с ГОСТ:

• использовалась универсальная испытательная машина с электромеханическим приводом;

• зажимы испытательной машины обеспечивали на­дежное крепление образцов, совпадение продольной оси образца с направлением растяжения и не вызывали разрушение образца.

• погрешность измерения не более 1% от предела измерения;

• испытания проводились при температуре (23±2)°С и относительной влажности (50±5)%;

• испытание проводились при скорости раздвижения зажимов испытательной машины, предусмотренной в нормативно-технической документации на материал;

• расстояние между зажимами испытательной машины в соответствие с нормативно-технической документацией составило 50 мм.

Рис. 3.2.1. Испытательная мамшина EJA Tensile Tester фирмы Twing Albert:

1 – стойка;

2 – направляющая с ограничителем высоты подъема зажима;

3 – подвижный зажим;

4 – передатчик нагрузки;

5 – адаптор для изменения конфигурации зажима;

6 – панель управления;

7 – дисковод для гибких дисков;

8 – регулируемые опоры;

9 – датчик нагружения;

10 – пневмо-клапаны;

11 – шкала положения зажима;

12 – монитор;

13 – системный блок.

Рис. 3.2.2. Панель управления испытательной машины EJA Tensile Tester фирмы Twing Albert:

1 – кнопка включения в сеть;

2 – ручки установки нуля;

3 – цифровая клавиатура;

4 – управляющий курсором шар;

5 – кнопки управления испытанием;

6 – аварийное выключение.

Р
ис.3.2.3. Вид меню выбора метода испытаний на мониторе EJA Tensile Tester фирмы Twing Albert.

Рис. 3.2.4. Общий вид зависимости усилия при растяжении от относительного удлинения при разрыве:

DISTANSE – относительное удлинение при разрыве;

FORCE – усилие при растяжении;

FAIL SENSITIVITY – чувствительность на разрыв.

Анализ статистических данных за три года

Ситуация на рынке такова, что свыше половины общего объема производства гибкой упаковки приходится на 12-15 крупных производителей (см. рис.5). Одним из этих предприятий является ООО «Московский картонажный комбинат», на базе которого проводились исследования. Процесс каширования на данном предприятии отвечает общероссийским тенденциям в этот области, поэтому результаты анализа статистических данных за три года, полученные на ООО «Московский картонажный комбинат», можно считать общими и достоверными.

Московский картонажно-полиграфический комбинат специализируется на выпуске различной упаковочной продукции. Основными направлениями его деятельности является производство упаковки из картона и гофрокартона, гибкой полимерной упаковки, этикеток и жестяной тары. Кроме того, предприятие занимается выпуском различных рекламных материалов из бумаги и картона.

Гибкая упаковка производится из готовых полимерных пленок и многослойных материалов изготавливаемых на предприятии методом каширования. Эта упаковка предназначена в основном для пищевых продуктов различного агрегатного состояния (упаковка для чипсов и упаковка для майонеза).

Качество выпускаемой продукции соответствует действующим ГОСТам, так как проверяется на всех стадиях производственного процесса отделом технологического контроля качества (ОКК).

Были изучены данные, собранные на предприятии за три года, отсортированы по степени надежности, и собраны в таблицы по типу полимеров.

Данные предприятия содержали следующую информацию:

• тип однослойной полимерной пленки, ее марка, толщина, усилие при разрыве Р (Н) и относительное удлинение при разрыве ε_р (%) в двух взаимно перпендикулярных направлениях (табл. 3.3.1, табл. 3.3.2);

• марка клея, используемого в процессе каширования, и его расход на производство конкретного МПМ (табл. 3.3.3);

• структура слоев многослойного материала, его толщина и масса 1кв. м, усилие при разрыве Р (Н) и относительное удлинение при разрыве ε_р (%) в двух взаимно перпендикулярных направлениях (табл. 3.3.3).

С помощью компьютерной программы Microsoft Excel, были подсчитаны значения:

1. Предел прочности σ_р (MПа) по формуле 3.3.1:

σ_р = Р/ S_сеч (3.3.1)

где S_сеч - начальное поперечное сечение образца (мм кв.), рассчитываемое по формуле3.3.2:

S_сеч = h ∙ b (3.3.2)

где h – средняя толщина пленки (мм),

b – ширина образца, равная 15 мм по ГОСТ.

1. Теоретический предел прочности σ_р,т (MПа) для многослойных материалов по формуле 2.5.4, которая для МПМ из двух полимерных слоев будет иметь вид 3.3.3:

σ_р,т = σ_р,т ∙ h₁/h_1,2 + σ_р,т∙ h₂/h_1,2 (3.3.3)

где h₁ и h₂ – толщины индивидуальных слоев (мм),

h_1,2 – толщина многослойного материала (мм).

1. Коэффициент упрочнения материала К_упр по формуле 2.5.3:

К_упр=(σ_р - σ_р,т)/σ_р,т (2.5.3)

где σ_р – практически полученный предел прочности многослойного материала (МПа).

1. Коэффициент увеличения относительного удлинения при разрыве К_ув, % по формуле3.3.4:

К_ув = (ε_р - ε_р,max)/ε_р,max (3.3.4)

где ε_р - относительное удлинение при разрыве многослойного материала (%),

ε_р,max - наибольшее из двух индивидуальных слоев относительное удлинение при разрыве (%).

Обзор результатов испытаний многослойных материалов за три года показал наличие у них эффекта упрочнения, что подтвердило обоснованность более детальных исследований прочностных свойств кашированных материалов, рассмотренных в следующем разделе. Кроме того, из приведенных ниже таблиц 3.3.4 и 3.3.5 виден большой разброс коэффициентов усиления предела прочности и уменьшения относительного удлинения, что объясняется отсутствием грамотного технического руководства по работе на разрывной машине EJA Tensile Tester фирмы Twing Albert.

Таблица 3.3.1. Характеристики первого слоя МПМ.

Марка исходной пленки		Уралпластик	Тайланд	Гранбрас	Wentofan
Тип пленки		OPP 20	OPP 20	PP 25	PP 25
Толщина, мкм		20,00	19,00	23,00	35,00
Машинное направление	Усилие при разрыве Р, Н	45,00	55,00	18,00	20,00
	Предел прочности σр, MПа	150,00	192,98	52,17	38,10
	Относительное удлинение при разрыве εр, %	24,00	15,00	396,00	421,00
Поперчное направление	Усилие при разрыве Р, Н	18,00	26,00	16,00	18,00
	Предел прочности σр, MПа	60,00	91,23	46,38	34,29
	Относительное удлинение при разрыве εр, %	88,00	80,00	400,00	634,00

Таблица 3.3.2. Характеристики второго слоя МПМ.

Марка исходной пленки		Technopol	Полипак	Полипак	Flexoland	Flexoland
Тип пленки		PE 40	PE 40	PE 45	PE 60	PE 70
Толщина, мкм		44,30	37,00	39,40	60,30	70,00
Машинное направление	Усилие при разрыве Р, Н	10,00	17,00	18,00	19,00	20,00
	Предел прочности σр, MПа	15,05	30,63	30,46	21,01	19,05
	Относи-тельное удлинение при разрыве εр, %	565,00	221,00	633,00	299,00	337,00
Поперчное направление	Усилие при разрыве Р, Н	11,00	15,00	20,00	14,00	15,00
	Предел прочности σр, MПа	16,55	27,03	33,84	15,48	14,29
	Относи-тельное удлинение при разрыве εр, %	718,00	452,00	222,00	510,00	686,00

Таблица 3.3.3. Расход клея МОР-ФРИ 402А+С79 (2-х компонентный) на производство многослойного кашированного материала.

Расход клея, г/м кв.	1,50	2,30	1,30	1,50
Многослойная пленка	1)OPP 20 (Уралпластик) 2)PP 25 (Wentofan)	1)PP 25 (Гранбрас) 2)PP 25 (Wentofan)	1)OPP 20 (Уралпластик) 2)PE 40 (Полипак)	1)OPP 20 (Уралпластик) 2)OPP 20 (Уралпластик)

Таблица 3.3.3. Расход клея МОР-ФРИ 402А+С79 (2-х компонентный) на производство многослойного кашированного материала.