Исследование прочностных свойств упаковочных многослойных полимерных пленочных материалов, полученных методом каширования, страница 9

В каждом отдельном случае, исходя из условий эксплуатации, хранения и транспортировки упаковки к МПМ предъявляют определенный комплекс техниче­ских требований.

Правильный выбор необходимого МПМ для кон­кретных условий применения должен базироваться, с одной сто­роны, на знании основных параметров свойств, регламентиро­ванных действующей нормативно-технической документацией на производство этих материалов, а с другой стороны, на зависи­мости этих параметров от различных факторов, которые могут изменяться в процессе эксплуатации изделий. Результаты комп­лексных испытаний ложатся в основу инженерной оценки свойств МПМ в изделии.

В отличие от стандартных методов испытания, позволяющих характеризовать каждое свойство МПМ (КПМ) одним показа­телем, инженерная оценка материала производится путем полу­чения серии зависимостей, на основании которых можно судить о возможном поведении материала при эксплуатации. Стандартные методы испытаний регламентируют форму, разме­ры и число образцов, порядок и условия испытания, прибор или испытательное оборудование, схему вычисления значения определенного показателя. Зависимости строятся с учетом влияния температуры, напряжения, времени, частоты воздействия (например, скорости нагревания), влияния среды, излучений и т. д. Методы таких испытаний в большинстве своем нестандартизованы, а часть из них находится в стадии разра­ботки.

Результаты, полученные при комплексной инженерной оцен­ке МПМ в изделии, могут быть использованы для про­гнозирования их поведения в различных условиях эксплуата­ции.

Свойства МПМ (КПМ) определяются: природой полимер­ных и неполимерных слоев, молекулярной массой, молекулярно-массовым распределением, степенью полидисперсности, нали­чием добавок; межслойной адгезионной прочностью; надмолеку­лярной структурой в полимерных слоях, определяемой техноло­гией их получения; специфическими особенностями таких материалов, связанных с их малой толщиной, большой удельной поверхностью и степенью ориентации.

В процессе эксплуатации происходит изменение свойств ма­териала во времени либо в связи с постепенным изменением структуры полимерных слоев, либо вследствие релаксации на­пряжений или химического течения полимера, что следует учи­тывать при обосновании областей их применения.

1. Основы расчета прочности в многослойных материалах

МПМ представляют собой новый класс композиционных материалов (КМ). В отличие от традиционных КМ, МПМ не имеют непрерывной матрицы и представляют собой чередующиеся слои соединенных между собой одноименных или различных пленок полимеров. Соответственно различают гомогенные и гетерогенные МПМ.

Анализ взаимосвязей свойств и строения МПМ - одна из актуальных проблем полимерного материаловедения, решение которой предопределяет пути создания МПМ и КПМ с требуемым комплексом эксплуатационных свойств.

Из многочисленных работ, посвященных рассмотрению указанной проблемы, следует, что одни свойства МПМ аддитивны свойствам входящих в них индивидуальных пленочных слоев, другие – не аддитивны. Деформационно-прочностные свойства пленочных композитов, например, не аддитивны свойствам составляющих их компонентов, и могут как улучшаться, так и ухудшаться по сравнению со свойствами индивидуальных пленок той же толщины. Определяющую роль в этом случае играет соотношение прочности и деформируемости отдельных слоев с адгезионным взаимодействием между ними.

В линейной области механические свойства пленочного композита аддитивны свойствам составляющих его слоев. Так, например, модуль сдвига является аддитивной величиной по отношению к свойствам исходных компонентов. Эффективный модуль упругости Е_эф многослойных пленочных материалов также является аддитивной величиной и может быть рассчитан по правилу фаз:

Е_эф = Е₁∙S₁+E₂∙S₂ (2.5.1)

где S₁, S₂–толщины индивидуальных слоев,

Е₁, Е₂ – эффективный модуль упругости 1-го и 2го слоев.

Правило фаз при оценке свойств пленочного композита может применяться в случае, когда составляющие композит слои имеют близкие значения коэффициента Пуассона. (Коэффициентом Пуассона называют соотношение поперечной деформации сжатия ε_поп к продольной деформации удлинения ε_прод при растяжении образцов в пределах пропорциональности между напряжением и деформацией: μ=ε _поп/ε _{прод .})

При этом не учитывается вклад межфазных слоев в свойства МПМ. Проведенная экспериментальная проверка правила фаз подтвердила аддитивность нагрузки составляющих ее слоев. На основании этих данных был сделан вывод об отсутствии заметного вклада межфазных слоев в общую нагрузку.

В то же время было показано, что предельные характеристики деформационно-прочностных свойств МПМ (однотипных или разнородных, но близких по свойствам) - разрушающее напряжение при растяжении и относительное удлинение при разрыве - не аддитивны соответствующим свойствам индивидуальных и правилу фаз не подчиняются. Установлено, что в таких системах проявляется эффект упрочнения многослойного материала, обусловленный согласованной работой адгезионно связанных слоев.

При изучении поведения двухслойных композитов, состоящих из одноименных слоев (ПЭ, целлофан или ПС), соединенных через слой вязкоэластичного связующего, прочность которого значительно ниже прочности индивидуальных слоев, было установлено, что разрушающее напряжение при растяжении двухслойного материала превышает разрушающее напряжение однослойного материала. Эффект упрочнения предложено оценивать так называемым коэффициентом упрочнения К_упр:

К _упр = (σ_р-σ_о)/σ_о∙100% (2.5.2)

где σ_р – разрушающее напряжение при растяжении двухслойного материала,

σ_о- разрушающее напряжение при растяжении индивидуальной пленки.

Для объяснения эффекта упрочнения двухслойных материалов, состоящих из однотипных слоев, соединенных посредством адгезива, было выдвинуто предположение о блокировке опасных дефектов одного слоя прилегающими к ним бездефектными участками второго. В связи с этим напряжения, концентрирующиеся при растяжении материалов вокруг дефекта одного слоя, воспринимаются при достаточно высокой прочности связи бездефектным участком другого слоя. Наличие определенного уровня адгезионного взаимодействия между слоями является необходимым условием для реализации перераспределения напряжений, а следовательно, и для синхронизации работы отдельных слоев в материале. При этом, с увеличением адгезионной прочности связи и когезионной прочности связующего усиливается эффект упрочнения двухслойного материала.

Упрочнение двухслойных разнородных пленочных материалов типа А-С-В, где А и В пленки различной химической природы с различными физико-механическими свойствами и С-слой связующего между ними, имеет место только в том случае, когда разрушающие напряжения обеих пленок, А и В, близки.

И в этом случае эффект упрочнения МПМ, состоящих из пленок-слоев разной химической природы, принято оценивать коэффициентом упрочнения К_упр, который определяется уравнением:

К_упр=(σ_р-σ_р,т)/σ_р,т (2.5.3)

где σ_р – фактическое разрушающее напряжение при растяжении многослойного материала,

σ_р,т – теоретическое среднее разрушающее напряжение при растяжении, рассчитано по формуле:

σ_р,т =Σ₁^і=n σ_р,і ∙ S_i/S (2.5.4)

где S – общая толщина многослойного материала,

S_i – толщина i-го индивидуального слоя.

Значение σ_р,т характеризует то среднее напряжение при растяжении, которое вызывало бы разрушение материала, если бы все пленки разрушались при одном и том же относительном удлинении, при котором разрушился многослойный материал, что в действительности не выполняется. Поэтому формула (2.5.4), видимо, не строгая. Постоянство относительных удлинений при разрыве не имеет и не может иметь места даже при разрушении пленок одной и той же химической природы в силу статистического характера дефектности материала, определяющего условия разрушения параллельных образцов.

Более строгая формула:

σ_р,т =Σ₁^і=n σ_р,і ∙ S_i/S ∙ β_i (2.5.5)

где β_i – доля разрушающего напряжения индивидуального слоя, противодействующая разрушению МПМ в момент разрыва. Однако методика определения β_i в литературе отсутствует.

Отражая сложный комплекс явлений на границе раздела адгезив - субстрат, коэффициент комбинационного упрочнения может служить для сравнительной оценки многослойных материалов и выявления влияния на их качество технологических режимов производства. Результаты экспериментальных исследований эффекта комбинационного упрочнения многослойных пленочных материалов отражены в главе 3.

Было установлено, что и при сочетании в МПМ сильно различающихся по своим деформационно-прочностным свойствам пленок также может иметь место эффект упрочнения. Его объясняют локализацией возникающих при больших деформациях в более жестком полимере микротрещин за счет бездефектных участков более эластичного полимера.

Установлено, что в линейной области деформаций механические свойства пленочного композита аддитивны свойствам составляющих его слоев, если эти слои имеют близкие значения коэффициента Пуассона. Эффективный модуль упругости может быть рассчитан по правилу фаз.

В то же время показано, что предельные характеристики деформационно-прочностных свойств МПМ (прочность при растяжении и относительное удлинение при разрыве) не аддитивны соответствующим свойствам индивидуальных слоев и правилу фаз не подчиняются. Обнаружен эффект самоупрочнения МПМ, который объясняют блокировкой опасных дефектов одного слоя бездефектными участками соседних слоев.

ВЫВОДЫ ПО ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЧАСТИ

1. Обзор рынка упаковки за последние годы демонстрирует, что мягкая тара является сегодня одним из наиболее распростра­ненных видов упаковки. Она широко используется для до­зирования, транспортировки, хранения продуктов расти­тельного и животного происхождения различной формы и агрегатного состояния: твердых, жидких, пастообразных, сыпучих и т.п.

2. Постоянно возрастающие требования к прочностным характеристикам, долговечности, а также другим эксплуатационным свойствам упаковки, заставляют совершенствовать известные способы их получения и искать новые возможности.

3. Производство тары и упаковки из многослойных пленочных материалов с возможностью сочетания различных полимерных и неполимерных слоев открывает перспективы целенаправленного проектирования и получения композиционных материалов нового класса с заранее прогнозируемым комплексом свойств.

За счет применения МПМ достигается опти­мальный для заданных целей уровень следующих свойств: проч­ности при разрыве, удлинения при растяжении, стойкости к про­колу, надрыву, раздиру; непроницаемости для водяного пара, воды, газов, ароматических веществ, масел и жиров, УФ-излучения; термических свойств — диапазона рабочих температур, усадки при повышенных температурах; перерабатываемости — хорошей термосвариваемости, возможности нанесения печати, термоформования, способности перерабатываться на различных фасовочно-упаковочных автоматах.

Использование для упаковки МПМ не только гарантирует сохранение качества и предотвращение потерь продуктов, но и способствует коренному совершенство­ванию технологического процесса расфасовки и упаковки, обес­печивает более рациональное хранение и транспортирование продуктов, уменьшает естественную убыль продуктов, сокраща­ет расход упаковочных материалов.

1. Высокая эффективность применения полимерных пленочных ма­териалов практически во всех отраслях народного хозяйства, возможность с их помощью решать многие задачи технического прогресса предопределили постоянно растущий спрос на многослойные полимерные пленочные материалы и высокие темпы развития их производства. Однослойные пленки, несмотря на широкий ассортимент полимеров, имеют ограниченные области применения. Использование МПМ позволяет преодолеть эти ограничения.

Широкая сырьевая база, сочетание ценных физико-механических, электрических и химических свойств, от­носительно низкая стоимость явились благоприятными технико-экономическими предпосылками для быстрого развития произ­водства пленок из ПЭ, ПП и их модификаций.

Слои из этих полимеров при производстве МПМ обеспечивают технологичность мягкой тары, так как обладают хорошей свариваемостью.

Полиэфирные пленки обладают высокими прочностными показателями. В МПМ эти материалы образуют несущий слой, обеспечивающий необходимую прочность при производстве многослойных пленок и увеличивающий надежность мягкой тары.