Влияние технологических параметров процесса экструзионного ламинирования на свойства комбинированного материала Полиэтилен - Бумага, страница 2

В качестве тестовых жидкостей использовали: дистиллированную воду,глицерин, этиленгликоль, трикрезилфосфат (ТКФ), формамид, диметилсульфоксид.Результаты измерений обрабатывали с использованием известного уравнения Оуэнса–Вендта, что позволило оценить величины полярной и дисперсионной составляющей поверхностной энергии.Чтобы оценить смачивание поверхности бумаги расплавом полиэтиленапри температурах, реализуемых в процессе экструзионного ламинирования,была изготовлена высокотемпературная камера с кварцевыми стеклами - приставка к микроскопу, для определения формы капель и угла смачивания.5Исследовали влияние обработки поверхности бумаги коронным разрядоми газопламенным способом на ее адгезионную способность. Обработку осуществляли непосредственно на промышленной установке и на специально созданной лабораторной установке.Экспериментальные образцы получали на лабораторной экструзионноламинаторной установке, моделирующей промышленный процесс экструзионного ламинирования, а также обработку материала коронным разрядом.

Фотографии установки представлены на рисунке 1 (а и б):абРисунок 1. Внешний вид лабораторной экструзионно-ламинаторной установки ПЭЛУ: а – экструзионный узел, б – узел протяжки и ламинирования.На этой же лабораторной установке проводили модификацию расплаваПЭ добавками термостабилизатора и ультразвуковую обработку расплава.Структурно - морфологические исследования поверхности бумаги и ПЭпроводили при помощи сканирующего электронного микроскопа "JSM-3" срентгеновским микроанализатором KEVEX-711.Оценку адгезионных показателей материалов проводили путем измерениия сопротивления расслаиванию комбинированных материалов в соответствии с ГОСТ Р 52145-2003 «Материалы комбинированные на основе алюминиевой фольги.

Технические условия» на разрывной машине типа РМ-50, оснащенной компьютерным интерфейсом. Для обеспечения постоянного угла расслаивания было разработано приспособление в виде вращающегося цилиндра сустройством для крепления пленки.Чтобы оценить характер разрушения КПМ использовали световую микроскопию. Для исследований использовали портативный цифровой микроскоп«Эксперт» и поляризационный микроскоп «Полам-312».Показатель текучести расплава (ПТР) определяли на приборе ИИРТ принагрузке 21,16 Н и температуре 190оС.Эффективную вязкость расплава ПЭ измеряли при помощи капиллярноговискозиметра постоянных давлений КВПД-1, и лабораторного экструдера, оснащенного датчиком давления и набором стандартных капилляров.Наличие функциональных групп на поверхности пленок определяли методом МНПВО с помощью Фурье спектрофотометра ФСМ-1201.6Для оценки изменений, происходящих при модификации расплава ПЭстабилизирующими добавками и УЗ воздействием, провели изучение молекулярно-массового распределения (ММР) в образцах ПЭ, экструдированных приразличных температурах.

Исследования проводили на гель-хроматографеGPC/V 2000 марки Allians фирмы WATERS при следующих параметрах: колонка – STYRAGEL HT6E TOLUENE 7,8 на 300мм, растворитель - трихлорбензол, концентрация растворов 1мг/1мл, поток раствора 1мл/1мин. Оцениваливеличины Mn (среднечислового), Mw (средневесового) молекулярного веса, атакже условный показатель полидисперсности, характеризующий ширину молекулярно-массового распределения.В третьей главе «Результаты научных исследований» представлены экспериментальные исследования, позволившие выявить факторы, ответственныеза формирование адгезионного взаимодействия на границе ПЭ-картон (бумага)и технологические приемы, позволяющие обеспечить необходимый уровень адгезионного взаимодействия. На начальном этапе были проведены исследованияповерхностных свойств бумаги – смачиваемость тестовой жидкостью и расплавом ПЭ, проведен расчет энергетических характеристик до и после обработкиповерхности продуктами сжигания газа и коронным разрядом (КР).

Посколькудля производства комбинированного материала используют двухслойную бумагу, а расплав наносят на обе стороны, испытывали и внутреннюю, и внешнюю ее поверхность. Результаты исследования представлены в таблице 1.Таблица 1.Полярная составляющая поверхностной энергии бумаги.ps, мДж/м2МатериалБумага без обработки.Бумага после обработки коронным разрядом*.Бумага после газопламенной обработки*.Бумага после обработки коронным разрядом**.Внешняясторона0,04Внутренняясторона0,250,040,311,44,412,76,52*- промышленные образцы, предоставленные «Ламбумиз»;** - образцы обработаны на лабораторной установке.Как следует из приведенных в таблице данных, полярная составляющаяповерхностной энергии бумаги, которая в основном обеспечивает взаимодействие с окисленными группами расплава полиэтилена, чрезвычайно низка, особенно для внешней стороны.

Установлено, что для промышленных образцовизменение энергетических характеристик поверхности относительно контрольного (необработанного) образца было незначительным, что свидетельствует онизкой эффективности обработки поверхности плазмой коронного разряда, ис7пользуемой в промышленной установке. Газопламенная же обработка приводитк увеличению полярной составляющей поверхностной энергии в 18 раз и в 35раз для внутренней и внешней стороны соответственно, хотя абсолютные значения остаются невысокими.При этом обработка поверхности бумаги коронным разрядом, проведенная в лабораторных условиях при напряжении между электродами 20 кВ и зазоре 2 мм, привела к увеличению полярной составляющей даже в большей степени, чем при газопламенной обработке.

Полярная составляющая поверхностной энергии увеличилась в 68 раз для внешней стороны и в 26 раз для внутренней стороны по сравнению с контрольным образцом, что в 1,5-2 раза эффективнее, чем при газопламенной обработке.Опыт производства подобных КПМ свидетельствует, что при использовании импортных полиэтиленов и сополимеров этилена показатель адгезионной прочности полученных материалов стабильно выше, чем при использовании отечественных марок. Поэтому представляло интерес выяснить причинуэтого явления.

Для этого сравнили смачиваемость бумаги расплавом полиэтилена импортных и отечественных марок с различными ПТР. На рисунке 2 представлены фотографии профилей капель расплава на бумаге.абвгРисунок 2. Профили капель расплава полиэтиленов различных марок на поверхности бумаги: а – ПЭ 11503-070 (Казань, 6,1 г/10 мин); б - ПЭ 11503-070(Казань, 6,1 г/10 мин), обработанный УЗ; в – ПЭ PG – 7004 (DOW, 4,1 г/10 мин.);г - ПЭ PRIMACOR – 4608 (DOW, 4,0 г/10 мин.).8Как видно из микрофотографий, расплав отечественного полиэтиленаплохо смачивает поверхность бумаги и практически в нее не проникает. Полиэтилен импортного производства (DOW PG – 7004) демонстрирует лучшее смачивание и, наконец, при использовании сополимера этилена с акриловой кислотой (Primacor 4608), наблюдается наилучшее смачивание и разбухание поверхностного слоя бумаги в результате проникновения в него расплава.

ОбработкаУЗ расплава отечественного ПЭ улучшает смачиваемость им бумаги, до уровнясополимера. Эти данные коррелируют с адгезионными характеристиками КПМ.Для количественной характеристики смачиваемости бумаги расплавомбыли построены температурные зависимости краевых углов смачивания дляисследованных образцов. Результаты эксперимента представлены на рисунке 3:100Краевой угол смачивания, Ѳ, град.9012380706050403020100200220240260280456Температура, 0СPrimakor 4608, ПТР=4,0Dow PG 7004, ПТР=4,1Dow PG 7008, ПТР=7,7Казань, ПТР=6,1Казань, ПТР=6,7Полоцк, ПТР=6,1Рисунок 3.

Зависимость угла смачивания бумаги расплавами полиэтиленов различных марок.Как видно из графика, угол смачивания бумаги расплавом импортных полиэтиленов значительно снижается с увеличением температуры. При температурах выше 2800С достигается практически полное смачивание. Наилучшуюсмачиваемость бумаги, даже при относительно низких температурах, продемонстрировал расплав PRIMACOR–4608. Этот же полимер демонстрировал исамые высокие адгезионные показатели из исследованных полимеров - сопротивление расслаиванию на уровне 120-130 Н/м.Угол смачивания бумаги расплавом отечественных полиэтиленов, наоборот, с ростом температуры увеличивается, а смачивание поверхности ухудшается.Методом сканирующей электронной микроскопии была изученаструктура поверхности бумаги с различной шероховатостью, и поверхностиполиэтиленового слоя, отделенного от бумаги (для образцов с высокой и низкой адгезионной прочностью).9Результаты микроскопического исследования поверхности бумаги и полиэтилена представлены на рисунке 4:Поверхность бумаги с различной шероховатостью.абПоверхность ПЭ отслоенного от бумаги.вгРисунок 4.

Микрофотографии поверхности бумаги и полиэтилена, отслоенного от бумаги: а – поверхность бумаги с шероховатостью 300 мл/мин; б поверхность бумаги с шероховатостью 1500 мл/мин; в - ПЭ, отслоенный отбумаги (образец с низкой адгезионной прочностью); г - ПЭ, отслоенный от бумаги (образец с высокой адгезионной прочностью)Как видно из представленных микрофотографий, структура поверхностиполиэтиленов, отслоенных от бумаги, в материалах с высокой и низкой адгезионной прочностью сильно разнятся.Рельеф поверхности полиэтиленового слоя, отслоенного от материала снизким сопротивлением расслаиванию, практически в точности повторяет рельеф поверхности бумаги.

При этом глубина затекания расплава в бумагу, наобразцах с низкой адгезионной прочностью, определенная методом измененияугла сканирования образца, не превышает 0,5 среднего диаметра волокон бумаги. Это свидетельствует о том, что смачивания поверхности расплавом и затекания его между волокнами бумаги не происходит.Рельеф поверхности полиэтиленового слоя, отслоенного от материала снизким сопротивлением расслаиванию, практически в точности повторяет ре10Эффективная вязкость, кгс*с/см2льеф поверхности бумаги.