Исследование прочностных свойств упаковочных многослойных полимерных пленочных материалов, полученных методом каширования, страница 8

В последнее время предложен метод подачи озона в узел экструзионного каширования с целью окисления полимера и снижения за счет этого температуры расплава.

Несмотря на то, что при кашировании необходима дополнительная технологическая ста­дия— получение монопленок, этот способ обладает рядом пре­имуществ: практически все материалы могут быть соединены друг с другом при помощи клея; экономически выгодно производство даже малых тиражей МПМ (КПМ); использование го­товых монопленок дополнительно гарантирует высокое качест­во композиционных материалов; процесс каширования проходит при невысоких температурах (ниже 100 °С), что ограничивает термическую нагрузку.

Рис. 2.3.6.4. Схема процесса экструзионного кэширования:

1 — устройство для размотки пленки-основы;

2 — экструдер со щелевой головкой;

3 — устройство для размотки монопленки (технологического слоя);

4 — узел каширования;

5 — намоточное устройство

Рис.2.3.6.5. Схема процесса экструзионного каширования с предварительным нанесением «праймера»:

1 — устройство для размотки пленки-основы;

2— узел нанесения «праймера»;

3 — су­шильная камера;

4 — экструдер со щелевой головкой; 5 — узел кэширования;

6— устрой­ство для намотки готового материала

1. Другие методы получения многослойных пленок

Помимо рассмотренных основных методов получения ком­бинированных и многослойных пленок, в мировой практике находят применение и другие способы, к которым, в первую очередь, относится дублирование пленок на вальцах, каланд­рах и в прессах. Технология такого производства заключает­ся в том, что бесконечные полотнища соединяемых материа­лов, выходящие из экструдера или сматываемые с рулона, поступают на вальцы или каландр, где при температуре 18-23 °С или более происходит их соединение под давлением. Перед соединением пленок между ними может быть распылен раствор адгезива.

Получение комбинированных материалов дублированием на вальцах и прессах позволяет избежать появления в них запаха, так как процесс идет при сравнительно низких тем­пературах и не требует применения растворителей. Возмож­ности метода ограничены сравнительно узким кругом мате­риалов, частичным прилипанием пленок к валкам, а также недостаточной и нестабильной во времени адгезией между слоями.

Описанные способы и технологические приемы создания многослойных пленочных материалов по­казывают практически безграничную возможность их конструи­рования и придания заранее заданных свойств.

Благодаря успехам, достигнутым в области производства МПМ, представляется возможным создавать материалы с заданным потребителем комплексом свойств. Однослойные пленки, несмотря на широкий ассортимент полимеров, имеют ограниченные области применения. Использование МПМ позволяет преодолеть эти ограничения.

Выбор способа получения зависит от физического состояния композиции, подлежащей нанесению на субстрат, и структуры МПМ.

Важное значение в формировании свойств пленок играют толщина пленки, режим ее охлаждения, структура поверхности, с которой контактирует пленкообразующий расплав или рас­твор.

Изменение свойств пленок, подвергшихся при эксплуатации тепловым, механическим, электрическим и другим воздейст­виям, в значительной мере связано с изменением их надмолеку­лярной структуры. Пленки на основе жесткоцепных полимеров, содержащие пластификатор, претерпевают наибольшие измене­ния. При этом по мере удаления пластификатора под влияни­ем различных факторов пленки становятся жесткими и хруп­кими.

В пленках из кристаллизующихся полимеров с низкой тем­пературой стеклования, например полиолефинов, политетра­фторэтилена, изменения надмолекулярной структуры, особенно при механических воздействиях, носят характер рекристаллиза­ции. Что касается пленок из кристаллизующихся полимеров с высокой температурой стеклования, например полиэтилентерефталата, то они обнаруживают высокую стабильность ниже тем­пературы стеклования, так как в этом случае рекристаллизации

не происходит.

Таким образом, анализ условий образования надмолекуляр­ных структур позволяет определить воздействия, способствую­щие возникновению и сохранению оптимальной надмолекуляр­ной структуры той формы и степени упорядоченности, которые обеспечивают эксплуатационные свойства пленок, необходимые для конкретного применения.

Формирование требуемой надмолекулярной структуры мо­жет быть достигнуто за счет следующих приемов: обоснованно­го выбора способа получения полимера или сополимеризации, приводящей к нарушению регулярности строения цепи макро­молекулы за счет введения второго мономера; подбора раство­рителя введения пластификатора, а также составления смесей полимеров; регулирования температурного режима при пере­работке и ориентации.

1. Кашированные материалы в полиграфии

В Рос­сии начинали выпускать кашированные материалы именно полиграфичес­кие предприятия, а затем непосредственно производители пле­нок. Следует отметить, что каширование с помощью клея в на­стоящее время остается самым распространенным способом из­готовления рулонных МПМ в динамично развивающейся полиграфической отрасли, несмотря на то, что для осуществления этого способа необходимо провести два самостоятельных технологических процесса — получения моно­пленок и собственно кэширования.

Это связано с наличием уже отмеченных выше преимуществ процесса:

• клей наносится в меньших количествах и его природа благоприятствует повышению эластичности и прозрачности конечного материала;

• большинство таких материалов уже через 24 ч готовы к дальнейшей переработке, что позволяет сократить площади промежуточных складов и сроки поставки продукции потребителю;

• межслойная адгезия в материалах, полученных на клеях без растворителей, не уступает адгезии в МПМ, полученных другими способами;

• отпадает необходимость в жест­ком контроле санитарно-гигиенических свойств получаемых МПМ;

• существенная экономия за счет стабильности клея; высокая ли­нейная скорость получения МПМ;

• практически все материалы могут быть соединены друг с другом при помощи клея;

• экономически выгодно производство даже малых тиражей МПМ (КПМ);

• использование го­товых монопленок дополнительно гарантирует высокое качест­во композиционных материалов.

В случае использования клеев без растворителей гигиениче­ские условия труда несравненно лучше, отпадает необходимость во взрывобезопасном исполнении оборудования, складов для растворителей, мероприятий по очистке отсасываемого воздуха от паров растворителей или рекуперации растворителей.

Главным достоинством процесса каширования на клеях без растворителей стала возможность нанесения межслойной печати при производстве мягкой тары в условиях полиграфических предприятий. Отсутствие растворителей положительно сказы­вается на адгезии клея к субстратам с нанесенной на них пе­чатью, и процесс каширования проходит при невысоких температурах (ниже 100 °С), что ограничивает термическую нагрузку, а это повышает качество упаковочных материалов.

Принцип межслойной (проромежутотчнной) печати состоит в том, что печать наносится на обратную сторону лицевого слоя МПМ, при этом дальнейшее каширование и другие операции выполняются по той стороне, на которую на­несена печать.

Основными способами нанесения печати на полимерные пленки являются флексографическая и глубокая печать. Для промежуточной печати применяются специ­альные краски, обладающие хорошей когезией, а также обес­печивающие высокую межслоевую адгезионную прочность.

Главная задача при нанесении печати на полимерные пленки состоит в подборе красок, обладающих достаточной ско­ростью отверждения при хорошей адгезии к пленке и дающих отпечаток, устойчивый к сухому и мокрому трению, выдержи­вающий многократные деформации изгиба. Подбор рецептуры печатных красок связан также со способом печати: глубокая или флексографическая. Выбор способа печати определяется типом пленки, условиями производства и другими факторами.

Основными параметрами процесса нанесения печати явля­ются скорость, время и температура сушки. Важную роль игра­ют реологические свойства печатных красок, так как в высоко­скоростных машинах развиваются значительные скорости сдви­га, вызывающие появление дефектов покрытия.

В настоящее время каширование с помощью клея является самым распространенным способом из­готовления полимерных пленочных материалов в условиях полиграфических предприятий. Изготовление МПМ методом каширования позволяет получать качественную межслойную печать на гибкой упаковке.

1. Обзор методов расчета прочности в многослойных материалах

1. Основные понятия в теории прочности полимеров

Как упоминалось ранее, прочность - свойство твердого тела сохранять целостность при действии нагрузок. Прочностные свойства, как правило, характеризуются пределом прочности σ_р – напряжением, при котором происходит разрушение образца.

По способу определения различают кратковременную и длительную прочность.

Кратковременную прочность выражают пределом прочности σ_р. Его определяют методом одноостного растяжения на разрывных машинах при заданной скорости нагружения или скорости деформации.

Одновременно с σ_р определяют относительное удлинение при разрыве ε_р.

Под длительной прочностью понимают максимальное напряжение, вызывающее разрушение образца после заданной длительности действия нагрузки.

В зависимости от условий получения материалов и проведения различают теоретическую, предельно достижимую и техническую прочность.

Теоретической прочностью σ_теор называют напряжение, при котором происходит одновременный разрыв химических связей между всеми атомами, расположенными по обе стороны от поверхности разрушения в условиях нагружения при нулевой температуре по Кельвину. Теоретическая прочность является максимально возможной прочностью твердого тела с идеальной структурой. Ее можно получить, например, при растяжении идеального монокристала в направлении оси его вытянутых цепей в области температур, близких к нулевой (по Кельвину) или при малых временах нагружения.

Предельно достижимой прочностью σ_п называют прочность идеальной полимерной структуры при данных температуре и времени деформирования образца.

Одним из методов расчета теоретической прочности σ_теор является определение напряжения, при котором происходит одновременный разрыв химических связей молекулярных цепей, приходящихся на единицу площади поперечного сечения полимера с идеальной структурой.

Предельно достижимую прочность часто рассчитывают по экспериментальным зависимостям напряжения разрушения от степени ориентации и степени кристалличности с последующей экстраполяцией до значений, соответствующих 100%-ноой ориентации и кристалличности.

Технической прочностью σ_тех называют прочность реальных материалов в стандартных условиях испытаний.

Реальные материалы разрушаются при значительно более низких напряжениях σ_тех, чем σ_п. Это объясняется их неоднородной структурой, наличием локальных напряжений, микротрещин и других дефектов.

1. Оценка механической прочности материалов

Традиционно, для количественной оценки механической прочности — спо­собности тела сопротивляться разрушению под действием меха­нических сил — используют различные характеристики, которые можно разделить на следующие группы: силовые (разрушающее напряжение, разрушающее усилие, усталостная проч­ность), временные (долговечность, сопротивление утомлению) и энергетические (ударная вязкость, поверхностная энергия раз­рушения).