Методика анализа и выбора стретч-пленки (часть 1-я)

Unipack.ru / 22.05.2008

В статье рассмотрен комплексный анализ влияния параметров производства на основные свойства поливной стретч-пленки, даны ее характеристики и методы измерения в соответствии с нормативной документацией. Кроме того, проведен наглядный анализ четырех опытных образцов и сделаны практические выводы относительно их использования на производстве.

По данным одного из крупнейших мировых поставщиков стретч-пленок (рис .1) — компании MDA — наиболее популярным у производителей является поливной способ производства стретч-пленок. На долю поливной пленки приходится до 70% (2,55 млн тонн) от совокупного объема производства. Соответственно доля выдувной пленки составляет 30%.

Эти данные объясняются, прежде всего, отличием пленки в качественных показателях. У поливной пленки они выше. Поэтому влияние параметров производства будем рассматривать на примере пленки, полученной поливным способом.

В табл. 1 представлено влияние составляющих технологического процесса на основные свойства пленки.

Рассмотрение параметров будет строиться по принципу иерархического построения задач на предприятии.

Примечание/Механизм влияния

Оценка влияния и свойство, на которое оказывается воздействие

Параметр производства

А. Структурные особенности полимерного сырья (ПЭ), используемого на производстве
1. Плотность полимера Влияет на глянец и прочностные показатели пленки. При увеличении плотности полимера растет его жесткость Небольшое увеличение плотности полимера способствует более упорядоченной структуре. Прочность при растяжении пленки, как считается, зависит в основном от индекса расплава, но кажущаяся хрупкость определяется преимущественно плотностью полимера: чем выше плотность, тем более хрупка пленка.
2. Кристалличность полимера Вызывает мутность пленки В принципе, плотность можно считать как меру кристалличности ПЭ. Мутность ПЭ связана с природой полимера (с надмолекулярной структурой), однако ударное охлаждение может дать почти прозрачную пленку (см. п. 8Б)
3. Индекс расплава С уменьшением ИР увеличивается прочность при растяжении, прочность на разрыв, термостойкость и ударная прочность, но затрудняются условия переработки На все перечисленные свойства оказывает влияние молекулярная масса полимера. С ее увеличением соответственно увеличивается длина молекулярной цепи, приводящая в случае линейности (имеется в виду либо линейная структура, либо, если это ПЭНП, то сокристаллизованные ответвления полимера на стадии передачи цепи) к более упорядоченной надмолекулярной структуре.
Б. Производственные факторы, непосредственно влияющие на свойства пленки

К ним относятся параметры, которые можно регулировать на машине. Изменить параметры можно путем установления на компьютере, соединенного с машиной, новых значений протекающего процесса.
1. Составление композиции готовой пленки с подбором процентного соотношения полимеров по слоям пленки От данного этапа производства зависят практически все свойства готового материала, особенно прочностные Примечание: правильно составить композицию пленки относительно требуемых эксплуатационных свойств возможно, лишь проведя ряд экспериментов, тем самым обеспечив лабораторию данными, необходимыми для дальнейшего проведения процесса. При налаженном производстве технолог использует информацию предыдущих опытов: рецепты и компьютерные данные, снятые в режиме производства, с наилучшими качественными показателями свойств пленки. В зависимости от композиции и плотности сырья ПЭ, использованного на каждом слое, будет зависеть температура переработки, а также оптические свойства материала и ударная прочность.
2. Точность дозирования гранулы на стадии подачи ее в экструдеры В зависимости от соотношения компонентов слоев изменяются свойства пленки, особенно прочностные В случае отклонения весовых долей по слоям от заданного значения возникает дисбаланс всего технологического процесса
3. Зональная температура перерабатываемого материала в экструдере, конструктивные особенности экструдеров Повышение температуры перерабатываемого материала ведет к увеличению глянца и снижению мутности. С ростом температуры ударная прочность растет, но при этом снижается прочность при растяжении в продольном направлении. Повышение температуры расплава снижает тенденцию к «сморщиванию» (см. п.10Б) По мере того, как расплав становится более горячим и текучим, молекулы получают больше времени для распрямления и в результате получается гладкая пленка с хорошим блеском и низкой мутностью. Понятно, что чем длиннее экструдер, тем более полно происходит гомогенизация расплава и переход его в вязкотекучее состояние, но нельзя забывать и об опасности термической деструкции при несоблюдении температурных режимов. Хотя для ПЭ данное явление мало вероятно, но в отдельных микрообъемах полимера возможна реализация любых деструктивных процессов. Повышение ударной прочности связано с тем, что достигается лучший баланс ориентации в обоих направлениях. ЛПЭНП проявляет более сильную тенденцию к ориентации, чем ПЭНП, и ориентируется в большей степени в продольном, а не поперечном направлении, то есть дает расщепление.
4. Рабочие характеристики фильтра В случае засорения фильтра ухудшаются оптические и прочностные свойства материала, а также внешний вид пленки Пропускание «кусочков» скоагулированного полимера нарушает целостность структуры пленки, тем самым создает опасность засорения плоскощелевой головки и обрыва пленки
5. Работоспособность блока соэкструзии В принципе, как и в вышеперечисленных пунктах, данная составляющая процесса определяет структурные особенности пленки. Особенно важно на данном этапе построения параметрических составляющих процесса правильно задать скорость и температуру соэкструзии
6. Температура и величина зазора в плоскощелевой головке Хотя и нет непосредственной зависимости толщины пленки от щелевого зазора головки, но, как правило, малые калибры требуют малых зазоров, и наоборот. Температура головки влияет на степень однородности пленки и скорость вытекания ее на поливной барабан Для изготовления пленки толщиной 25-27 мкм ширина зазорадолжна быть около 0,5 мм. Обычно одна из губок головки регулируется винтами, поэтому зазор можно менять. Температура головки и полимера в канале головки достигает 300°С. Важно поддерживать однородность температуры расплава. Головка всегда имеет несколько зон нагрева. Для сведения к минимуму вариации температуры и флуктуации качества пленки температура вдоль головки должна выдерживаться в жестких пределах с точностью до 1°С
7. Скорость движения пленки и охлаждения пленки на валках Увеличение скорости пленки ведет к ухудшению оптических свойств — усилению мутности и снижению глянца. Происходят изменения мутности материала Снижается тенденция молекул к ориентации, и концы молекул полимера, выступая наружу, создают неровную поверхность. Чем быстрее охлаждается пленка на пути от головки экструдера до линии кристаллизации, тем меньше мутность, связанная с кристаллизацией, и тем больше мутность из-за неоднородности потока
8. Температура поливного барабана и охлаждающих валков Снижение температуры охлаждающего валка повышает одновременно прозрачность и глянец пленок из ПЭВП. С падением температуры охлаждающих валков ударная прочность возрастает. Уменьшение температуры охлаждающего валка способствует «сморщиванию» (см. п.10Б) Это явление опять же связано с реализацией процесса кристаллизации, заключающегося здесь в том, что снижается вероятность образования излишне крупносфералитной структуры проявления. А также исключается проявление флуктуации поверхностной структуры пленки
9. Установление расстояния вытяжки На прочностные и оптические свойства пленки (опять же из-за кристаллизации) оказывает влияние расстояние между экструзионной головкой и охлаждающим валком. Оптимальное для получения хорошей пленки расстояние вытяжки зависит от размера оборудования и производительности, поэтому его нужно определять экспериментально. Как правило, оптимальное расстояние может варьироваться от 1 - 2 дюймов (2,54 - 5,08 см) на лабораторном оборудовании до 12 дюймов и более (30,48 см) в условиях реального производства
10. Установление линии кристаллизации на поливном барабане Увеличение высоты линии кристаллизации приводит к увеличению глянца и снижению мутности. «Сморщивание» Это связано с тем, что положение концов молекул изменяется по мере варьирования данного технологического параметра. До определенной величины молекулы ПЭ ориентируются, и исключается вероятность создания неровности поверхностного рельефа. Однако при превышении этой точки глянец уменьшается, а мутность соответственно увеличивается. «Сморщивание» вызывается неровностью линии кристаллизации на поливном барабане, что влечет вариации плотности в продольном направлении. Подобные различия плотности вызывают изменения длины, которые проявляются в виде небольших вздутий или складок. Повышение температуры расплава снижает тенденцию к «сморщиванию», тогда как уменьшение температуры охлаждающего валка способствует ей.
11. Точность позиционирования и установки толщиномера на линии Основная функция толщиномер понятна — это измерение толщины вырабатываемой пленки по всей ее ширине. Ведь при разнотолщинности пленки в последующем возникает ряд неприятностей, приводящих даже к отбраковыванию целых партий, так как данная пленка не будет отвечать предъявленным ей требованиям качества. Наличие автоматизированной системы на производстве практически исключает вероятность такого развития событий. Это связано с тем, что толщиномер выдает в режиме online значение толщины, и при отклонениях, даже малейших, включается сигнализация и осуществляется перерегулировка оборудования, отвечающего за данный показатель, а именно, скорость движения пленки и зазор в плоскощелевой головке

12. Система шанжирования, намоточная станция, утилизатор кромок
Обеспечивает равномерную динамику процесса намотки пленки на шпули за счет микроперемещений пленки по эксцентриситету балки, тем самым создавая на боковых срезах ролла идеально ровную поверхность, что говорит о высоком качестве системы

Определяемые на предприятиях характеристики стретч-пленки представлены в табл. 2.

Пункты 1 и 2 в табл. 2 считаются номинальными, так как по согласованию с заказчиком допускается изготавливать пленку другой толщины, ширины и длины.

Для реалистичности изложения материала были отобраны четыре образца пленки различных производителей, исследованы в лаборатории, одновременно проводилось сопоставление исследуемых образцов между собой с целью выявления недостатков с точки зрения технологического процесса.

Принят следующий алгоритм анализа свойств стретч-пленки:
Получение экспериментальных данных
Сортировка данных по убыванию показателей каждого образца.
Определение % превышения наименьшего допустимого значения (для наглядности в виде полотна пленки с распределением направлений и позиционированием каждого полученного показателя).
Аргументация большего или меньшего значения показателя.
Определение связи с технологическими параметрами и определение влияния данного показателя на другие свойства.

Определение толщины пленки

Измерения средней толщины пленки осуществляются непосредственно и никаких трудностей не представляют. Точное измерение толщины пленки имеет большое значение, поскольку некоторые свойства, такие как прочность при растяжении, предельное растяжение при разрыве, ударная прочность и стойкость к распространению трещин сильно зависят от толщины образца. Обычно толщина пленки составляет несколько десятков микрон. Толщину пленки измеряют микрометром.

Определение ширины намотки пленки

Ширину пленки измеряют металлической линейкой или металлической рулеткой по ГОСТ 7502. ГОСТ 427 распространяется на измерительные металлические линейки с пределами измерений до 3000 мм, с ценой деления 1 мм.

Определение прочности при растяжении и относительного удлинения

Прочность и относительное удлинение пленки при разрыве определяют по ГОСТ 14236 на 5 образцах.

ГОСТ 14236 распространяется на полимерные пленки и пленочные материалы толщиной до 1 мм и устанавливает метод испытания на растяжение.

Метод основан на растяжении испытуемого образца с определенной скоростью деформирования для определения показателей прочности при растяжении и значения относительного удлинения.

Настоящий стандарт не распространяется на пленки, изготовленные из армированных материалов или имеющие неровную поверхность. В качестве лабораторного оборудования применяется разрывная машина.

Экспериментальные значения обработаны и приведены в табл. 3 в соответствии с ГОСТ 14236, содержащем следующую методику и терминологию (выдержка из ГОСТа).

http://article.unipack.ru/22484/

Методика анализа и выбора стретч-пленки (часть 2-я)

Unipack.ru / 27.05.2008

Определение величины самоадгезии

Величина самоадгезии определяется с помощью любой разрывной машины и специального приспособления, представляющего собой подиум с наклонной поверхностью, на которую помещаются образцы пленки и прикатываются металлическим роликом. Как правило, количество ходов катком ограничивают до 5 двойных ходов. Сообщение разрывной машины и подложки обеспечивается за счет витой капроновой нити и крючка. В свою очередь, нить зажимается в верхнем зажиме разрывной машины, а крючком захватывается прикатанный верхний образец пленки. Таким образом, определяют нагрузку (кПа), необходимую для разделения слипшихся образцов. Эксперимент проводят 5–6 раз с допуском на отклонение, за результат принимают средне арифметическое 5 параллельных измерений.

Описанный способ не декларирован на территории России и осуществляется на основании технических условий, прописанных на предприятии.

Установка для определения величины самоадгезии

Стандартный метод испытаний ASTM1 D3354 моделирует операцию по разделению пленок, характерную дли некоторых конечных приложений. Нагрузка (в граммах), необходимая для разделения слипшихся образцов (пять групп образцов, вырезанных размером 100 х 180 мм), измеряется балансирной системой (подобной аналитическим весам). Испытание заключается в следующем: один лист слипшегося образца закрепляется на алюминиевом блоке, подвешенном на конце балансирной балки; другой конец закрепляется на алюминиевом блоке, прикрепленном к основанию весов. Затем с другой стороны балансира добавляется груз, эквивалентный 90 ± 10 г/м, пока пленки полностью не разделятся (или пока между ними не возникнет зазор 1,9 см). Адгезия между пленками выражается в граммах; испытание ограничено грузом 200 г.

В данном случае использована установка с применением разрывной машины.

Определение величины самоадгезии осуществляется по формуле: Самоагдезия, кПа = Нагрузка,Н/A0

Термины и определения

Определение величины стойкости к проколу

ГОСТ 12.4.118 устанавливает метод определения стойкости к проколу пленочных полимерных материалов, искусственных кож и изделий из них, применяемых для средств защиты рук, по показателю величины силы прокола.

Сущность метода заключается в определении величины силы прокола при постоянной скорости перемещения индентора.

В данном случае представлена новая установка по определению стойкости к проколу, имеющая принцип действия на молекулярном уровне, аналогичный изложенному в ГОСТе, но с современным оснащением.

Установка по определению величины стойкости к проколу

Определение упругого восстановления

Упругое восстановление пленки определяют на разрывной машине любого типа. Испытания проводят на 3 образцах, вырезанных в продольном направлении, имеющих форму прямоугольных полосок шириной (10 ± 0,2) мм. и длиной не менее 150 мм.

Образцы вырезают любым режущим инструментом, обеспечивающим получение прямых параллельных сторон. Края образцов должны быть ровными, гладкими, без зазубрин и других видимых дефектов. На образцах фломастером или маркером отмечают рабочий участок размером 50±1 мм.

Образец заправляют в зажимы разрывной машины таким образом, чтобы он не провисал и не был под напряжением.

Образец растягивают между зажимами разрывной машины со скоростью 100 ± 10 мм/мин до длины рабочего участка 100 мм. В этом состоянии образец выдерживают 1 минуту, после чего снижают нагрузку разрывной машины до нуля, вынимают образец из зажимов и укладывают на чистый лист бумаги. Через полчаса замеряют длину рабочего участка L.

Упругое восстановление (λ, %) определяют по формуле: λ = 100 – L/50 х 100, где L — длина рабочего участка через полчаса после снятия нагрузки, мм.

За результат испытаний принимают среднее арифметическое из 3 параллельных измерений.

За результат испытаний партии принимают минимальное значение испытаний отдельных рулонов.

По результатам статистической оценки всех значений полученных в результате эксперимента и приведенных в таблице 4, можно сказать, что наилучшие показатели качества продукции имеет образец под №3. Это следует из результатов исследования свойств пленок, распределения их по шкале отклонения от минимально допустимой величины и определения суммы всех отклонений по каждому образцу. Следует помнить, о вкладе каждого показателя в полученную сумму. Так, в процессе подсчета образец №2 при измерении прочности при растяжении потерял значительную долю очков, которые он набрал в начале «соревнований», набранные баллы были получены им на показателях толщины и ширины ролла намотанной пленки. Понятно, что ширина пленки не оказывает прямого воздействия на свойства пленки, а только в будущем определяет, какую высоту зажимов поставит рабочий при установке ролла в паллетайзер, а вот от толщины зависят многие свойства, в том числе и область применения стретч-пленки. Будет эта пленка использована для ручной намотки, машинной или только для единичной упаковки продуктов питания. Для исследования были подобраны образцы из секции «как бы» машинного применения. Однако в результате эксперимента обнаружено, что более всего приближен к этой области применения образец под №3, и с наименьшей степенью уверенности можно предложить для автоматической работы образец №2, толщина которого граничит почти с минимальным значением. Образцы под №1 и 4 имеют средние показатели и в принципе вписываются в рамки рассматриваемого вопроса. Следовательно, если машина будет упаковывать на высокой скорости, то образец №3 выдержит эксплуатацию (такой вывод сделан на основании всего комплекса свойств), №2 скорее всего не обеспечит требуемого уровня упаковки, образцы №1, №4 скорее всего тоже выдержат, последующий анализ свойств даст нам о них более полную информацию для принятия окончательного решения.

Стретч-пленка не будет stretch (растягивающейся и восстанавливающейся), если не будет иметь высоких показателей при растяжении и восстановлении первоначальных размеров. Показатель относительного удлинения при разрыве определяет процент растяжения пленки до разрыва. Показатель прочности при разрыве показывает максимальную нагрузку, выдерживаемую материалом до разрыва. Показатель упругого восстановления является определяющим для устойчивости упакованной продукции.

Благодаря предварительному растяжению пленки перед обмоткой палетты, за счет стремления пленки вернуться в исходное состояние, возникает «удерживающая» сила, которая обеспечивает устойчивое скрепление груза в процессе транспортировки и погрузочно-разгрузочных работ.

Наличие наибольшего показателя прочности при растяжении говорит, во-первых, о сбалансированности ориентации в продольном и поперечном направлении, во-вторых, о верно выбранной пропорции плотностей композита, в-третьих, о правильно подобранном индексе расплава всей композиции. Максимальный результат по определению прочности при растяжении показал образец под №1, в продольном направлении. Наименьшее значение показателя отмечается у образца №2, возможно при экструзии была превышена температура расплава, или температура охлаждающих валков была недостаточная, что привело к увеличению ударной прочности и, соответственно, снижению прочности при растяжении. Показатель относительного удлинения, напротив, определяет структуру как менее организованную, с меньшей плотностью и большей эластичностью макромолекул, проявляющейся в наличии большего свободного объема. Данное утверждение и подтверждается результатами эксперимента, образец под №1 имеет наименьшее значение показателя относительного удлинения.

И наоборот. Образцы, имеющие меньшее значение прочности при растяжении, обеспечивают большее относительное удлинение. Однако образец №1 в поперечном направлении растягивается больше всех, следовательно, несмотря на превосходство в прочности при растяжении и в продольном и поперечном направлении относительно других образцов, в структуре материала есть дисбаланс.

Более организованную структуру с точки зрения стретч-пленки и пропорциональности рассматриваемых показателей имеет образец под №3, который в процессе упаковки и растянется лучше всех, так как паллетайзер растягивает пленку в продольном направлении, соответственно расход пленки будет меньше, и обеспечит прочность полученного «пакета». Монолитность структуры упаковочного материала, зависит также и от адгезии слоев, и стойкости к проколу, и упругого восстановления. Адгезия присуща всем стретч-пленкам, но от технологических параметров производства и специальных добавок зависит степень прилипания слоев друг к другу. На основании исследования установлено, что наибольшее усилие для отделения слоев необходимо приложить к образцу №1, немного меньше к образцам №2 и №3, и меньше всего к №4. Хотя излишняя адгезия тоже неблагоприятна при работе, она в первую очередь может вызывать сморщивание пленки до намотки на шпулю, а также работу с пленкой на упаковочном производстве, затрудняя отделение пленки от рулона, а недостаточная адгезия просто не обеспечит требуемого уровня упаковки.

В случае упаковки товара с острыми краями пленка должна быть стойкой к проколу, то есть иметь крупносферолитные образования и высокое значение показателя относительного удлинения, соотносимое с прочностью при растяжении.

Результаты исследования свойств пленок

По результатам исследования наглядно прослеживается данная зависимость: образец №3, имеющий высокое относительное удлинение, среднее значение прочности при растяжении, более стоек к проколу, нежели образец №2 с разбалансированной организацией структуры.

Определено, что чем более организованная структура, тем больше плотность, больше прочность при растяжении, тем меньше величина упругого восстановления. Несмотря на различие показателей для образца №1 в продольном и поперечном направлениях, установлено, что восстановить свои первоначальные размеры он сможет лишь на 56%, в отличие от образца №3, восстановление которого почти в 1,5 раза превышает минимально допустимое значение.

Таким образом, теперь вы имеете полное представление по каждому образцу пленки и с точки зрения статистического анализа, то есть чисто на уровне математики, и с точки зрения физикохимии полимеров. Зная все свойства исследуемых образцов, можно систематизировать полученную информацию в единую табл. 5.

В результате аналитического обзора образцов и полученных рекомендаций по каждому материалу выявлено, что пленка №3 является наиболее подходящей для заявленной области применения.

Теперь Вы предупреждены, а значит и вооружены. Думаем, что теперь Вы сможете не только самостоятельно осуществить анализ стретч-пленки, но и на основании экспериментальных данных определить неполадки в производственном процессе анализируемого образца. Вы также сможете составить модель эксплуатации той или иной пленки на вашем производстве. Выбирайте то, что Вам действительно надо!

https://www.lobanov-logist.ru/library/all_articles/55786/

дата: 00.00.0000 00:00:00 просмотров: 3687

рейтинг:

(Голосов: 1, Рейтинг: 5)