Методи виробництва композиційних матеріалів
Основні методи виробництва багатошарових плівкових систем: соекструзії (рукавна і плоскощілинні); екструзійне ламінування; склеювання (або каширування); нанесення покриттів з розчинів і дисперсій; вакуумна металізація.
соекструзії
Цим методом отримують тільки багатошарові плівки. Для соекструзії використовують головним чином поліетилени різної щільності, їх сополімери з вінілацетату і вініловим спиртом, поліпропілен і його сополімери з етиленом, Іономіри, сополімери хлорвмісних олефінів - вінілхлориду і винилиденхлорида, поліаміди і кополіаміду.
Технологічний процес плоскощілинній соекструзії зображений на принциповій схемі.
Принципова схема плоскощілинній соекструзії:
1 - екструдери; 2 - соекструзійних головка; 3 - охолоджуючі валки; 4 - вузол намотування;
а - з'єднання шарів після виходу з головки; б - з'єднання шарів всередині головки;
в - з'єднання шарів до входу в головку
Переваги процесу: одностадійна, економічність, можливість формування дуже тонких шарів і регулювання дини, зміни чергування шарів в матеріалі, використання полімерів, які не можна переробляти екструзією для вироблення одношарових плівок; надання багатошарової плівці особливих естетичних якостей шляхом поєднання полімерів, що розрізняються кольором або фактурою поверхні; нарешті, при соекструзії дорогі добавки (антиоксиданти, ультрафіолетові стабілізатори, ковзаючі, антиблокуюча, антистатичні агенти) можна додавати не в усі верстви, а в строго певні.
Недоліки соекструзії. обмежений асортимент плівок, необхідність використання проміжних адгезійних шарів, неможливість нанесення друку між шарами, труднощі утилізації відходів. Не всі полімери можуть піддаватися спільному екструдуванню.
Оскільки соекструзії зводиться до переміщення багатошарового розплаву в ламінарному потоці через екструзійну головку, правильний вибір полімерів з точки зору їх реологічних властивостей визначає принципову можливість отримання комплексного матеріалу.
Застосовувані полімери не повинні сильно відрізнятися по в'язкості і її залежності від температури, щоб можна було забезпечити рівномірність перебігу шарів. Не всі полімери повинні мати однакову в'язкість. Задовільні результати спільної екструзії можна отримати для компонентів, в'язкість яких відрізняється в 3-4 рази.
Якщо температура екструзії одного полімеру перевищує температуру деструкції другого, то матеріали також не підходять для соекструзії.
Ще однією важливою проблемою, особливо при екструдуванні тонких шарів, є нестабільність потоку в зовнішньому шарі. Іноді її вирішують шляхом зменшення в'язкості зовнішнього шару, однак це, в свою чергу, може порушити рівномірність потоку. Неузгодженість по в'язкості в ряді випадків можна частково компенсувати за рахунок зміни температури полімерних розплавів, що надходять в блок соекструзії.
Забезпечення достатньої межслоевой адгезії - також важлива умова при виборі полімерних матеріалів. При соекструзії однорідних компонентів, наприклад поліетиленів, не треба застосовувати додаткові заходи для їх поєднання. Але для полімерів, які в силу своєї хімічної природи несумісні, необхідний проміжний шар з матеріалу, який володіє хорошою адгезією до обох складових.
Широке поширення в якості адгезивів отримали іономіри - похідні сополімерів етилену з моно- і дікарбоновими кислотами. Часткова нейтралізація карбоксильних груп кополімерів (ступінь нейтралізації до 50-80%) гидроксидами або солями натрію і цинку призводить до утворення іонного зв'язку. При високих значеннях температури і напруги зсуву іонні зв'язки руйнуються, що дозволяє переробляти розплав, а при охолодженні ці зв'язки відновлюються і забезпечують отримання матеріалу підвищеної міцності. НАТРІЙ іономіри відрізняються високими оптичними властивостями, Жиростійкі і липкостью при нагріванні. Що містять цинк іономіри характеризуються високими адгезійними показниками і хорошою водостійкістю. Такі матеріали під комерційною назвою «сурлін» випускає фірма Du Pont de Nemours (США).
Однак іономіри - дорогі адгезиви. Більш дешевими є багатофункціональні сополімери етилену з різними сомономером, що містять ангідридні групи. Інший тип адгезивов отримують сополимеризацией етилену і акрилової кислоти. Фірма Dow Chemical (США) випускає його під торговою маркою «Прімакор».
екструзійне ламінування
Екструзійно-ламінаторний спосіб отримання багатошарових і комбінованих матеріалів полягає в нанесенні розплаву полімеру на інші полімерні плівки, папір, фольгу або тканину. В якості основи зазвичай застосовують попередньо орієнтовані плівки, що забезпечує хороші показники міцності багатошарових і комбінованих матеріалів. Принципова схема процесу зображена на малюнку.
1 - вузол розмотування основи; 2 - екструдер з плоскощілинній головкою; 3 - що пресує валик; 4 - охолоджуючий циліндр; 5 - вузол намотування
Екструзійне ламінування забезпечує високу продуктивність процесу, але велика швидкість протягання основи часто призводить до зниження опору плівок розшарування, які до того ж мають тенденції до скручування.
Для досягнення хороших адгезійних показників покриття наносять на основу при високій температурі, яка може бути більш 300 ° С. Крім того, поверхня основи обробляють праймерами, що представляють собою дуже тонкі шари адгезивів. Подібна технологія обмежує області використання плівок, наприклад для пакування харчових продуктів.
При екструзійне ламінування розплавом полімеру можна з'єднувати дві (або більше) плівкові основи, а покриття наносити за допомогою соекструзійних головки, що істотно розширює асортимент плівок і сферу їх застосування. В якості основи служать різні типи паперу та картону, двухосно-орієнтовані поліетилентерефталатні, поліамідні, поліпропіленові плівки, целофан, алюмінієва фольга, тканини і неткані матеріали. Для покриття і з'єднання шарів зазвичай застосовують поліетилен низької щільності, поліпропілен і їх сополімери.
Асортимент плівок. матеріали для пакування молока і молочних продуктів на основі паперу, алюмінієвої фольги та поліетилену, а також плівки для сухих сипучих продуктів на основі поліетилентерефталату, поліаміду, целофану, поліетилену і алюмінієвої фольги.
Склеювання (каширування)
Цей метод отримання багатошарових плівкових систем здійснюється за кількома технологічними схемами (мокре, сухе склеювання) і є найбільш універсальним. Він дозволяє отримувати майже будь-яке поєднання і чергування шарів. Мінімальні величини товщини шарів визначаються можливістю формування вихідних плівок і протягання їх по тракту технологічної лінії при склеюванні.
При мокрому кашируванні здійснюється склеювання (ламінація) клеєм на водній основі. Передбачені наступні операції: нанесення розчину або дисперсії адгезиву на поверхню однієї з плівок; з'єднання плівок в вузлі ламінування; видалення розчинника або дисперсійного середовища в сушильній камері; намотування отриманого матеріалу в рулон.
1, 3 - вузли розмотування; 2 - вузол нанесення адгезиву; 4 - сушильна камера; 5 - вузол намотування
При мокрому склеюванні видалення летючих компонентів відбувається через шар плівкового матеріалу. Тому хоча б один шарів повинен бути пористим або мати високу проникність для видаляється речовини. Зазвичай цим методом отримують ламіновані плівкові матеріали на основі паперу з фольгою, а в якості адгезиву використовують водні емульсії на основі полівінілацетату.
Метод сухого каширування більш універсальний і дозволяє отримати практично весь спектр комбінованих і багатошарових матеріалів. Після нанесення на поверхню плівки розчину або дисперсії адгезиву проводять сушку і тільки після - ламінування. Друга назва цього способу - сольвентний ламінація.
Принципова схема методу сухого каширування:
1, 5 - вузли розмотування; 2 - вузол нанесення адгезиву; 3 - сушильна камера;
4 - ламінатор; 6 - вузол намотування
Сухим кашируванням можна з'єднувати майже будь-які плівкові матеріали з високим і стабільним рівнем адгезійної міцності. Обмеження методу визначаються можливістю протягання тонких плівок по тракту машини і деформації плівок з низькою теплостійкістю в сушильній камері. Крім того, при використанні в якості основи пухких матеріалів з підвищеним всмоктуванням розчину адгезиву можуть виникнути труднощі при видаленні розчинника, а також збільшитися витрата клею.
Як адгезиву найчастіше користуються двокомпонентними отверждающей поліуретановими клеями. Розчинником звичайно служить етилацетат.
До недоліків сухого склеювання можна віднести екологічні проблеми, пов'язані з наявністю відходів у вигляді пари органічних розчинників. Кількість парів не таке велике, щоб було економічно доцільно проводити рециркуляцію розчинника або передбачати індивідуальну установку для спалювання. Тому пари часто просто викидають в атмосферу. Крім того, при підвищеному вмісті залишкового розчинника в плівках погіршуються їх санітарно-гігієнічні показники.
Швидко розвивається виробництво плівок методом склеювання без розчинника - бессольвентного ламінація. Простота технології, невеликі енерговитрати, малі габарити машини і короткий тракт протягання основи забезпечують переваги в порівнянні з іншими методами виробництва багатошарових плівок.
Принципова схема методу склеювання без розчинника:
1, 3 - вузли розмотування; 2 - вузол нанесення адгезиву; 4 - ламінатор; 5 - вузол намотування
Цей метод дозволяє склеювати дуже тонкі і нестійкі при нагріванні плівки. Як адгезиву використовують поліуретанові клеї. Основний недолік методу полягає в тому, що за рівнем досягається адгезійної міцності і стабільності в умовах експлуатації він поступається сухому кашируванню.
Якщо виключити стадію ламінування плівки або використовувати антиадгезійних проміжний шар, то за такою схемою можна отримати плівки з покриттями, а також весь асортимент плівок з липким шаром. Перші зазвичай виробляють на основі винилиденхлорида і його сополімерів, сополімерів вінілацетату.
Вакуумна металізація
Останнім часом простежується стійка тенденція в пакувальної галузі до заміни плівкових матеріалів із шаром алюмінієвої фольги металізованими плівками. Напилення дозволяє економити до 98-99% металу, використовувати більш безпечні в екологічному відношенні технології і при цьому іноді вигравати в якості плівок. Металізовані плівки в порівнянні з фольгованого мають більш естетичний зовнішній вигляд, високий глянець металізованої поверхні, печат' на них виглядає яскравіше і яскравіше.
Здавалося б, що велика товщина шару металу в фольгованих плівках повинна забезпечувати поліпшені бар'єрні характеристики. Однак найчастіше металізовані плівки не поступаються фольгированним по захисних функцій. Найбільш поширене термічне напилення алюмінію з декоративною метою і для підвищення бар'єрних властивостей плівок. Останнім часом розвивається метод розпилення за допомогою магнетрона. Це дозволяє наносити шари навіть з високоплавких металів і їх сплавів, а також хімічні сполуки металів, наприклад нітриди або оксиди.
Металлизацию плівок здійснюють у вакуумних камерах, при високому розрідженні випаровують метал і осаджують його на поверхню полімеру, перемотувати з одного рулону на інший.
Металізація плівкових матеріалів створює величезну економію дорогого і дефіцитного металу, виробництво якого вимагає великих витрат електроенергії, так як найбільш вживана алюмінієва фольга має товщину від 7 до 12 мкм. Для підвищення механічної міцності полімерні плівки перед металізацією піддають двуосного орієнтації. Найбільш ефективні для упаковки плівки з трьох шарів: полімер / метал / полімер з різним поєднанням термопластів.
Більш складним є процес металізації паперу, картону, що володіють меншою гладкістю і більшою шорсткістю в порівнянні з полімерними плівками. З цієї причини одну сторону паперу перед металізацією покривають лаком, який забезпечує високу адгезійну міцність шару наноситься металу до паперу. Витрата алюмінію складає від 30 до 100 г / м 3.