Исследование влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных материалов 
Исследование влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных материалов
Дипломная работа
На тему:
«Исследование влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных материалов»
Введение
Растет многообразие товаров, и технология упаковывания стремительно развивается. Российский рынок гибкой полимерной упаковки оценивается в $800-850 млн. в год при общем объеме потребления упаковочных материалов по стране в $1,5-1,7 млрд. Но, по мнению ряда экспертов, сегодняшний уровень спроса составляет всего 15% от максимально возможной величины потребления. Исходя из этого, данный сегмент можно назвать довольно привлекательным на долгосрочную перспективу. Доля российских производителей составляет на рынке 40-70% - это зависит от конкретного сектора (типа упаковочных материалов) - и в дальнейшем она будет еще расти. Что касается конкуренции, то до 1998 г. основной ее вектор был направлен на соперничество с импортом. После 2000 г. борьба уже идет между российскими производителями [17].
В пищевой промышленности помимо традиционных методов упаковывания последние годы во многих странах получили большое развитие быстрое замораживание, хранение в модифицированной газовой среде, стерилизация, ионизирующим излучением, сублимационная сушка, асептические способы консервирования, микроволновый нагрев. Каждая из этих технологий непосредственно связана с выбором материала упаковки и предъявляет к нему специфические требования. И теперь не только практически, но даже теоретически невозможно создать монопленочный материал, который удовлетворял таким требованиям.
Современные требования к гибким упаковочным материалам заставляют производителей искать пути и способы удовлетворения возрастающего спроса.
За рубежом этот процесс плавно вел к развитию новых технологий. Во-первых, они позволяли удешевить продукцию. Во-вторых, новые технологии возникают на базе достижений физики и химии и отражают современное развитие науки. Это касается в первую очередь полимерных материалов, благодаря которым стало возможным создавать материалы с новыми характеристиками (в том числе с барьерными свойствами). Цепочка: наука-создание новых материалов - изготовление новых упаковочных материалов позволила создавать упаковку, способную длительно сохранять продукты и товары массового спроса. Это привело к созданию специальных машин, способных изготавливать многослойные упаковочные материалы с соответствующими характеристиками.
В России ситуация складывалась не так. В наследие от Советского Союза предприятия не получили оборудования, которое могло бы изготавливать упаковочные материалы, способные конкурировать с аналогичными материалами иностранных производителей. Экономическое положение не позволяло предприятиям покупать новое дорогостоящее оборудование, отечественные машиностроители были не в состоянии создавать достойные и конкурентоспособные материалы. Сырьевая база для изготовления полимеров была не развита. На рубеже 1980-1990-х годов страна не производила ряд полимерных материалов. Уровень доходов населения не позволял нашим гражданам покупать продукты и товары в относительно дорогой упаковке. Все эти факторы не стимулировали развитие отрасли.
Несколько лет назад ситуация начала меняться. Стабилизация экономики страны позволила населению приобретать более дорогие товары, в том числе в более дорогой упаковке. В результате роста продаж предприятия получили возможность аккумулировать средства для модернизации производства. Практически все продукты и большинство потребительских товаров приобрели в последние годы новую упаковку, которая отличается от прежней барьерными свойствами, дизайном и красочностью.
Увеличение спроса на качественную упаковку повлек за собой рост производства материалов для ее изготовления. В основном удовлетворены потребности отечественных предприятий в полиэтилене. Полипропиленовые пленки в основном пока завозятся из-за границы, однако принятые решения о строительстве новых мощностей по изготовлению полипропилена позволяют надеяться, что через несколько лет отечественные фирмы будут производить пленки из российского сырья.
Процесс импортозамещения в области производства гибких упаковочных материалов приобретает в последние годы высокие темпы. Для этого есть несколько причин:
1) рост потребления многослойных материалов в России;
2) возможность удешевления продукции;
3) снижение зависимости отечественных предприятий от поставок иностранных производителей;
4) рост финансовых возможностей предприятий упаковочной отрасли, позволяющий модернизировать производственные мощности;
5) появление на российском финансовом рынке новых финансовых инструментов, например, лизинговых схем [21].
Сегодня к таре и упаковке продовольственных товаров предъявляются все более жесткие требования. Упаковка должна выполнять следующие функции:
· защитную;
· дозирующую;
· транспортную;
· функцию хранения;
· функцию маркетинга;
· нормативно-законодательную;
· экологическую;
· информационную;
· эксплуатационную.
Особую важность при упаковке пищевых продуктов имеет защитная функция. Для ее обеспечения конструкция упаковки должна обеспечивать меры по защите упаковываемого продукта от влияния климатических факторов, от повреждений и порчи при транспортировке и хранении, а также защите окружающей среды и человека от негативного воздействия упакованного продукта [2].
Во многих развивающихся странах потери пищевых продуктов из-за некачественной упаковки, так и не попав на стол к потребителю, достигают 25-30%, а по некоторым источникам эта цифра доходит до 50%. В то же время в развитых странах они составляют всего 2-3%. В России потери продуктов составляют около трети [17].
Полимерные пленки различаются по своим оптическим, химическим и механическим характеристикам, возможности нанесения печати, а также по уровню герметических свойств.
В настоящее время чаще всего для создания многослойных пленочных материалов используют ориентированный полипропилен (ОПП), ОПП металлизированный и полиэтилен высокого давления (ПЭВД). Ассортимент упаковываемых в них товаров довольно разнообразен: от пищевых продуктов (хлебобулочных изделий, сухих завтраков, печенья, мармелада, чипсов, сухариков, снеков, орешков, кондитерских изделий, специй, кормов для собак и кошек, сырково-творожных изделий, молока и молочных продуктов, пельменей, слоеного теста) до не пищевых (средств для защиты от комаров, удобрений, семян, влажных гигиенических салфеток).
Это, в основном, сыпучие, хрупкие, сухие продукты, которые требуют защиты от влаги, воздуха, света. То есть, упаковка должна иметь хорошие барьерные характеристики - влаго- и жиростойкость, паро-, газо- и ароматонепроницаемость. Также она должна быть довольно прочной, чтобы при транспортировке упакованный продукт не утратил своей формы, не нарушилась герметизация. Увеличение прочностных характеристик происходит за счет блокировки слабых мест (опасных дефектов) одного слоя, прилегающими к ним бездефектными участками второго слоя. При наличии адгезионного взаимодействия между слоями происходит перераспределение напряжений и синхронизация работы отдельных слоев, из которых состоит многослойный материал.
Прочность материала также важна при изготовлении упаковки, так как упаковывание происходит на высоких скоростях (используют высокоскоростные упаковочные машины).
Все вышеперечисленные необходимые характеристики материала увеличивают срок годности упаковываемого продукта [1].
Однако, сегодня недостаточно, чтобы упаковка выполняла только свою главную задачу - защищала продукт. Она должна быть привлекательной для покупателя и удобной в использовании на всех этапах жизненного цикла. При существующем многообразии идентичных продуктов выигрывает тот производитель, чья упаковка наиболее оптимально и гармонично сочетает в себе функции защиты и продвижения. Упаковка играет основную роль при решении задачи «узнаваемости» продукта. Согласно статистике, 70% покупок совершаются спонтанно, непосредственно в местах продаж. Часто потребители составляют мнение о продукте, исходя в первую очередь из привлекательности упаковки. То, что упаковка стала играть сразу несколько ролей, привело к усложнению ее дизайна и конструкции.
Также на одно из первых мест выходит проблема экологии и безопасности. Именно поэтому при производстве упаковки чаще всего используется полиэтилен и полипропилен, которые не выделяют мономеры, причиняющие ущерб здоровью [17].
Для создания гибкой упаковки наиболее распространен пленочный материал - ориентированный полипропилен (ОПП). Однако ориентированный полипропилен имеет плохую свариваемость. Для устранения этого недостатка его совмещают с неориентированным полипропиленом или с полиэтиленом (ПЭ).
Полипропилен более стоек к смятию, чем полиэтилен. ПЭ же подвержен смятию, что создает проблемы при машинной фасовке; также он эффективно предохраняет от влаги, но пропускает газы; хорошо склеивается.
Пленка на основе ориентированного полипропилена (ОПП) с полиэтиленом высокого давления (ПЭВД) имеет высокую прочность сварного шва, поэтому ее эффективно используют для упаковки крупных доз продукта.
На качество гибкой полимерной упаковки оказывают влияние:
· упаковочный материал;
· конструкция и габаритные размеры упаковки;
· качество печати и отделки;
· технологические параметры работы фасовочно-упаковочного оборудования.
Неправильно подобранный упаковочный материал (сырье, добавки, комбинация слоев) могут не обеспечить необходимых барьерных и прочностных свойств, что существенно снижает срок хранения продукта, появляется вероятность проникновения вредных частиц продукта в окружающую среду, а также миграция полимерных частиц и добавок в упакованный продукт.
Для обеспечения сохранности упакованного продукта необходимо обеспечение целостности упаковки. А для этого все прогнозируемые в процессах упаковывания, транспортировки и эксплуатации нагрузки не должны превышать предела прочности в продольном и поперечном направлении. Сопротивление растягиванию упаковочного материала также характеризует относительное удлинение при разрыве. Все эти свойства материала зависят от технологических параметров каширования.
Помимо свойств индивидуальных слоев в многослойном пленочном материале важное значение имеет толщина адгезионного слоя. Его должно быть ровно такое количество, которого будет достаточно для заполнения всех микротрещин и микродефектов между макромолекулами соединяемых монопленок для более тесного их взаимодействия и не более того.
Целью дипломной работы является исследование влияния технологических параметров процесса бессольвентного каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных плёнок.
1. Аналитический обзор
1.1 Многослойные и комбинированные пленочные материалы
Современная упаковка требует применения полимерных упаковочных материалов, обладающих комплексом свойств, обеспечить которые невозможно при использовании одного полимера. Нет полимерного материала, который обеспечивал бы одновременно все необходимые для упаковки свойства, такие, как привлекательный внешний вид, механическая прочность, заданная проницаемость для газов и паров воды, свариваемость, способность к глубокой вытяжке, коэффициент трения, термостойкость, и при этом имел бы приемлемую цену.
Поэтому разрабатывают и применяют упаковочные материалы, состоящие из нескольких слоев разных полимеров (так называемые многослойные пленочные материалы - МПМ), или же из слоев полимерных материалов в сочетании с другими материалами, такими, как картон, ткань, бумага, алюминиевая фольга (комбинированные пленочные материалы - КПМ). Такие материалы могут обладать спектром свойств, которым не обладает ни один из слоев в отдельности. Комбинированные и многослойные материалы во всем мире находят широкое применение. Это объясняется практически неограниченными возможностями варьирования их свойств за счет: выбора состава композиционного материала; изменения порядка чередования слоев; обеспечения необходимого уровня адгезионного взаимодействия между слоями; выбора оптимальной технологии и оборудования для получения конкретного материала [7].
Создание и расчет свойств таких материалов представляет сложную научно-техническую задачу и требует анализа в каждом конкретном случае, поскольку приходится принимать во внимание множество переменных величин (материалы, толщина отдельных слоев, структура многослойного материала, способ его переработки и так далее). В первом приближении можно считать, что свойства пленок определяются либо по правилу смесей, либо, при большом различии свойств, определяются свойствами того компонента (слоя), который имеет экстремальный уровень свойств. Точный расчет композиции требует учета явлений на границе раздела фаз, которые вносят очень существенный вклад, особенно для деформационных и прочностных показателей пленок.
Интересно, что слой полимера в многослойной системе может иметь свойства, отличающиеся от свойств отдельной пленки из того же материала. Особенно значительные эффекты в области изменения механических свойств наблюдаются в слоистых материалах, содержащих «жесткий» и «мягкий» элементы, или «хрупкий» и «вязкий» составляющие слои.
В промышленных масштабах производится широкий ассортимент многослойных пленок и комбинированных пленочных материалов, в которых полимерные слои сочетаются с бумагой, картоном, металлом или тканью. Количество слоев в таких пленках может составлять от двух до десяти и даже больше. При этом ряд слоев в такой системе может повторяться [1].
При всем разнообразии производимых пленочных материалов и широком спектре их характеристик наиболее важные показатели можно прогнозировать.
Прочностные показатели предварительно можно оценить следующим образом:
- усилие при разрыве пленочной системы обычно равно сумме усилий при разрыве составляющих ее слоев;
- предельная деформация при разрыве такой системы равна или несколько больше предельной деформации наиболее хрупкого из слоев;
- прочность сварных швов при низком значении сопротивления расслаиванию примерно равна прочности сварного шва индивидуальной пленки из материала термосвариваемого слоя такой же толщины. При высокой адгезионной прочности сварные швы гораздо прочнее;
Барьерные характеристики (паро-, газо- и ароматопроницаемость, жиро- и влагостойкость) подчиняются следующему правилу:
- если пленка состоит из слоев, близких по проницаемости, то общая проницаемость системы обратно пропорциональна суммарной толщине пленки;
- если проницаемость составляющих многослойную систему материалов различается во много раз, то защитные свойства системы определяются наименее проницаемым из слоев.
Для повышения защитных свойств пленок и стабильности их показателей при контакте с агрессивными средами следует соблюдать следующее правило - со средой должен контактировать материал, наименее проницаемый для компонентов этой среды.
Такие свойства, как термосвариваемость многослойной пленки обеспечиваются наличием в композиции хотя бы одного термосвариваемого слоя [8].
Для создания гибкой упаковки наиболее распространен многослойный пленочный материал: ориентированный полипропилен (ОПП) в сочетании с металлизированным ОПП. Так как, он имеет высокую механическую прочность, стойкость к проколам, ударную прочность, высокие барьерные характеристики. ОПП прозрачен, а металлизированный ОПП создает защиту продукта от света, что особенно важно для продуктов чувствительных к свету (жиросодержащих), дополнительно увеличиваются барьерные характеристики, прочность и стойкость к различным веществам. Лучше выглядит печать. Металлизацию также используют для декорирования - улучшения дизайна.
Материал ориентированный полипропилен (ОПП) в сочетании с ОПП металлизированным используют для упаковки печенья, где нужны особенно хорошие барьерные свойства к кислороду и водяным парам. Их же применяют для упаковки хрустящего картофеля и других видов сухих завтраков, предельно чувствительных к кислороду и проникновению паров воды. В такие пленки упаковывают также кондитерские изделия и пачки сигарет [16].
Недостаток ОПП - плохая свариваемость. Для устранения этого недостатка ОПП покрывают термолаком или совмещают с неориентированным полипропиленом или с полиэтиленом. В комбинации ОПП с ПЭВД, когда полиэтилен является внутренним слоем, используют для упаковки сыпучих, пылящих, сухих и жидких продуктов (сухого молока, сливок, сахара, молока и молочных продуктов, замороженного мяса, рыбы и морепродуктов, сухофруктов, выпечки; удобрений). Так как, полиэтиленовая пленка обладает хорошей водостойкостью (не пропускает и не отсасывает влагу, то есть хорошо сохраняет микроклимат внутри упаковки), имеет высокие барьерные характеристики по паро- и жиропроницаемости, является ароматонепроницаемой, жиростойкой и морозостойкой (до -700С). Хорошо термосваривается при нагревании до 110-1400С, образуя прочные герметичные швы, пригодна для жирных и мокрых продуктов, обладает высокой прочностью и стойкостью к раздиру. Но пленка проницаема для углекислого газа и кислорода, что дает возможность использовать ее в качестве упаковки «дышащих» продуктов и не позволяет применять пленку для вакуум-упаковки. Выше перечисленные недостатки компенсируются при соединении полиэтилена высокого давления с ориентированным полипропиленом [12].
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7
|
