Исследование влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных материалов

Поэтому разрабатывают и применяют упаковочные материалы, состоящие из нескольких слоев разных полимеров, так называемые многослойные пленочные материалы - МПМ. Такие материалы могут обладать спектром свойств, которым не обладает ни один из слоев в отдельности.

При конструировании многослойной упаковки большое значение имеет оптимальное содержание слоев и их чередование, определяемое индивидуальными свойствами упаковываемого продукта, а также условиями и сроками хранения.

Используют двух- и трехслойные комбинированные материалы, состоящие из полимера, бумаги и фольги, где каждый слой играет свою определенную роль.

Внешний слой определяет прочностные свойства материала и защищает продукт от внешнего воздействия. Он должен быть термостойким и не размягчаться в условиях термической сварки при формировании шва. В качестве таких слоев могут быть использованы двуосно-ориентированная полипропиленовая пленка (БОПП) с термосварным покрытием, полиамиды, различные виды бумаги и фольги, защищенные лаковым покрытием.

Внутренний слой предназначен защитить продукт от контакта с внешним слоем упаковки и, главное, обеспечить возможность герметизации упаковки при термической сварке. Чаще всего для этих целей используют следующие полимеры: полиэтилен высокого давления (ПЭВД), полиэтилен низкого давления (ПЭНД), линейный полиэтилен высокого давления (ЛПЭВД) и другие.

Для проведения исследования влияния технологических параметров процесса каширования на физико-механические свойства многослойных полимерных материалов были выбраны следующие 2 фактора:

1. Толщина клеевого слоя при кашировании;

2. Скорость каширования;

В качестве объектов исследования были взяты многослойные пленочные материалы на основе прозрачного ориентированного полипропилена (ОПП) толщиной 20 мкм в комбинации с белым полиэтиленом высокого давления (ПЭВД), толщиной 25 мкм.

Также были получены и исследованы клеевые плёнки. В качестве адгезива использовали бессольвентный клей фирмы Henkel торговой марки Liofol из полиуретана.

Полиуретан - гетероцепное высокомолекулярное соединение (ВМС):

В последние 5 лет используют двухкомпонентные полиуретановые клеи, действующие без растворителей и могут быть переработаны при температуре 35-40?С. Клей получается в результате взаимодействия ароматического диизоцианата с алкидной смолой, содержащей свободные гидроксильные группы в соотношении 1:0,8 по массе. После окончания времени отверждения клея материалы безопасны для пищевой упаковки, т.к. не содержат свободных мономеров - мигрирующих аминов (т.е. все изоционатные - NCO группы вступили в реакцию). Утверждаются при комнатной температуре и дают прочное соединение при склеивании дерева между собой и с другими материалами. Жизнеспособность клеевого раствора 8-10 часов [6].

Отверждение при температуре около 400С значительно сокращает период стабилизации. Время отверждения составляет 24 часа. Ступенчатая сополимеризация диизоцианатов с соединениями, содержащими более двух ОН-групп, приводит к образованию макромолекул, имеющих сетчатую структуру, не растворимых в органических растворителях и не способных плавиться [13].

2.2 Методика получения клеевых плёнок

Оборудование:

Получение плёнок проводится на полуавтоматической машине для трафаретной печати.

Сетки для трафаретной печати в данном процессе не используются, задействован только вакуумный стол машины и закреплённый на фиксированной высоте ракель.

Рис. 2.1. Полуавтоматическая машина для трафаретной печати

Подготовка материалов:

Клей состоит из базового компонента - смолы - изоционат компоненты - NCO; и отвердителя - гидроксил компоненты - ОН в соотношении 1:0,8 по массе.

Для получения клеевых плёнок данные компоненты взвешиваются и смешиваются в стеклянной ёмкости.

Также подготавливается антиадгнезионная бумага для нанесения жидкого клея.

Получение образцов:

Клеевая смесь наносится на антиадгезионную бумагу, после чего излишки клея удаляются ракелем. Высота зазора между бумагой и ракелем регулируется, что позволяет получать плёнки различной толщины. Однако данная методика не позволяет получать образцы малых (рабочих) толщин.

Для проведения эксперимента клеевые плёнки были получены двумя методами:

Более толстые плёнки удалось получить нанесением жидкого клеевого состава на антиадгезионную бумагу с последующей сушкой на открытом воздухе. Однако получение образцов меньшей толщины данным способом затруднено в связи с малой адгезией клея к данной бумаге. При получении тонких образцов свежая клеевая плёнка немедленно накрывалась вторым слоем антиадгезионной бумаги для предотвращения концентрации состава в капли.

Рис. 2.2. Клеевые плёнки

Полученные клеевые плёнки выдерживались в лаборатории в течение 48 часов до окончательного завершения процесса полимеризации.

2.3 Определение прочности при разрыве

Испытания на разрыв проводились в продольном и поперечном направлениях в соответствии с ГОСТ 14236-86. ГОСТы испытаний на растяжение предполагают получение стандартных характеристик, каковыми являются разрушающее напряжение ?р (Мпа) и относительное удлинение в момент разрыва ?р (%).

Испытания на одноосное растяжение проводились на разрывной машине с постоянной скоростью перемещения нижнего зажима. При испытании на диаграмме записывается кривая растяжения в координатах «нагрузка-удлинение». Кривые, как правило, имеют одинаковую форму, но отличаются масштабным фактором. Чтобы избежать случайностей из-за отклонения образцов по толщине, а также возможной микроскопической дефектности образцов, строится усредненная кривая, которая является характеристикой материала при данных условиях испытаний [20].

Аппаратура: для проведения испытаний использовалась разрывная машина РМ-50 (рис. 2.3), которая предназначена для определения качества пленочных и рулонных материалов методом измерения прочности при растяжении и удлинении при разрыве в лаборатории кафедры «Управления качества» МГУП.

Технические характеристики РМ - 50:

прибор работает от сети переменного тока напряжением 220 В частотой 50±0,5 Гц;

режим работы прибора повторно-кратковременный;

потребляемая мощность - не более 100 ВА;

габариты прибора 400х400х700 мм, масса прибора не более 8 кг.

В комплект прибора РМ - 50 входят: ложемент для зажимов (обеспечивает процесс закрепления образца в зажимах), предохранитель, кабель для подключения компьютера, паспорт, руководство по эксплуатации, программа управления машиной РМ - 50, руководство к программе управления.

Прибор отвечает требованиям, сформулированным в ГОСТ 28840-90 «Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб». Прибор отвечает общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2003 и общим требованиям к безопасности к электрооборудованию по ГОСТ 12. 2. 0070 и ГОСТ 12. 2. 0077.

Принцип работы прибора состоит в растяжении образца 3 (рис. 2.4.), верхний конец которого через зажим 2 связан с силоизмерителем. Нижний конец образца, закрепленный в зажиме 5, смещается вниз с постоянной скоростью, определенной стандартом испытаний. Образец деформируется, и усилие, развиваемое при деформации, измеряется силоизмерителем. Смещение нижнего зажима измеряется энкодером.

Изменение напряжение в образце по мере нарастания относительной деформации выражается графически в виде кривой растяжения. По кривой растяжения определяют прочность при растяжении, относительную деформацию при разрыве, предел текучести, модуль упругости при растяжении и другие характеристики материала, оговоренные в ГОСТ 14236 - 81 или заданные стандартом испытаний.

Шкала усилий, скорость растяжения, пуск и остановка машины при испытании производится посредством компьютера. В случае отказа («зависания») компьютера машина автоматически прекращает измерение.

Конструктивно прибор состоит из двух основных частей - ходовой и измерительной. Ходовая часть включает стойки 2 (рис. 2.3), несущие измерительный блок и ходовой винт 5 (с приводом), который обеспечивает крепление и перемещение нижнего зажима 3.

Нижний зажим размещен на ползуне 4, скользящем по стойкам. Ползун опирается на гайку, которая перемещается вверх-вниз при вращении ходового винта. Ходовой винт приводится во вращение от асинхронного двигателя 8 мощностью 30 Вт. Частота вращения двигателя задается частотным регулятором и может варьироваться в пределах 5:1. Скорость перемещения зажима при этом варьируется от 500 мм/мин до 100 мм/мин.

На правой стойке прибора размещены ограничители хода 6, связанные с концевыми выключателями. Ограничители устанавливают пределы перемещения штанги вверх (т.е. устанавливают базовую длину образца) и вниз (т.е. устанавливают максимум растяжения образца).

Измерительный блок 1 обеспечивает крепление верхнего зажима и измерение усилия, возникающего на нем при растяжении образца. Для измерения используется тензометрический датчик усилия. Максимальное усилие, измеряемое этим датчиком - 500 Н (50 кг). Рабочий интервал измеряемых усилий - от 100 Н/шкалу до 500 Н/шкалу.

В измерительном блоке расположены датчик усилий, усилитель сигнала. Прибор связан кабелем с персональным компьютером. Сигнал обрабатывается в компьютере и представляется в виде кривой растяжения [20].

Проведение испытаний: собрать зажимы 2 и 5 (рис. 2.4) на ложементе и заправить в них образец 3. Выбрать нужный интервал нагрузок и скорость испытаний, задать толщину образца. Поместить зажимы с образцом на штангах 1 и 6. Запустить на компьютере программу измерения, задать предел измерения в меню «Настройки», включить режим регистрации, затем кнопку «Старт» и движение штанги вниз. Когда образец разорвется, остановить движение зажима с помощью кнопки «Стоп». Записанную кривую растяжения следует сохранить в файл в программе Microsoft Word.

Обработка результатов: после проведения испытаний все данные переносятся в Microsoft Word и обрабатываются.

Для каждого испытанного образца строятся зависимости напряжения от деформации ? = f(?).

Рис. 2.4. Крепление образца: 1 - верхняя штанга; 2 - верхний зажим; 3 - образец; 4 - стойка; 5 - нижний зажим; 6 - нижняя штанга; 7 - ползун

При расчете напряжения и деформации используются следующие формулы:

?1 = ; ?ист. = ?1 (1+?), (2.3.1)

где: ?1 и ?ист. - соответственно разрушающее напряжение на первоначальное и истинное сечение в Па; S0 - первоначальная площадь поперечного сечения в м2, Р - нагрузка, ? - деформация, определяемая по уравнению:

? = , (2.3.2)

где: l - длина растянутого образца (мм); l0 - исходная длина образца (мм) [20].

В отчете представлены таблицы с данными испытаний и графики кривых растяжений.

2.4 Испытание на разрыв образцов с надрезом

Разрушение материала при растяжении, например, одноосном, может быть хрупким, квазихрупким или пластическим (вязким) в зависимости от величины и вида деформации предшествующей разделению образца материала или изделия на части (как правило, на две части).

Хрупкое разрушение характеризуется разделением материала две части при локализации пластической деформации у вершины трещины или без пластической деформации вообще, что определяет малые затраты энергии на продвижение трещины. Скорость роста трещины высока и соизмерима со скорость звука в данном материале.

Пластическое - (вязкое) разрушение характеризуется наиболее медленным распространением трещины с интенсивным течением всего объема материала в том числе части материала расположенной вне зоны роста трещины. Затраты энергии на продвижение трещины относительно велики.

Квазихрупкое разрушение является промежуточным вариантом и характеризуется локализацией пластической деформации у вершины трещины и на пути ее вероятного роста.

Для испытания на разрыв материала с надрезом используется универсальная машина для испытания на растяжение, описанная выше.

Подготовка материалов: Испытания на растяжение с надрезом проводились в продольном и поперечном направлениях. Использовались те же образцы, что и для предыдущего исследования, но с нанесением надрезов (искусственной трещины).

Надрезы на образцы наносились согласно ГОСТ 262-53.

Проведение испытаний: собрать зажимы 2 и 5 (рис. 2.4.) на ложементе и заправить в них образец 3. Выбрать нужный интервал нагрузок и скорость испытаний, задать толщину образца. Поместить зажимы с образцом на штангах 1 и 6 с запасом, как показано на рис. 2.5. Запустить на компьютере программу измерения, задать предел измерения в меню «Настройки», включить режим регистрации, затем кнопку «Старт» и движение штанги вниз. Когда образец разорвется, остановить движение зажима с помощью кнопки «Стоп». Записанную кривую растяжения следует сохранить в файл в программе Microsoft Word.

Рис. 2.5. Крепление образца: 1 - верхний зажим; 2 - образец; 3 - нижний зажим

2.5 Методика статистической обработки результатов экспериментов по ГОСТ 11.004-74

Настоящий стандарт устанавливает правила определения оценок и доверительных границ для параметров нормального распределения по совокупности опытных независимых наблюдений, полученных в результате испытаний, если исследуемые закону нормального распределения.

1) Оценка параметров нормального распределения.

а) Несмещенной оценкой для генерального среднего и нормального распределения является выборочное среднее x:

 = х i - х) 2 (2.5.1)

где х i, х 2… х n - совокупность наблюдаемых значений случайной величины х.

б) Несмещенная оценка для среднеквадратичного отклонения при неизвестной точности измерений:

S = (2.5.2)

2) Определение доверительных границ для генеральной средней при неизвестной генеральной дисперсии.

а) Определение нижней доверительной границы dH для генеральной средней по выборке объема n осуществляется следующим образом: задают значение односторонней доверительной вероятности ? 1 по заданным значениям ? 1 и k=n-1 по таблице находят значение t ?1. Вычисляют (нижнюю) доверительную границу dH для генеральной средней по формуле:

dH = (2.5.3)

б) Определение верхней доверительной границы для генеральной средней по выборке объема n осуществляется следующим образом: задают значение односторонней доверительной вероятности ? 2; по заданным значениям ? 2 и k=n-1 по таблице находят значение t ?2. Вычисляют верхнюю доверительную границу по формуле:

dB = (2.5.4)

в) Нижняя и верхняя границы dH и dB образуют доверительный интервал для генеральной средней при двусторонней доверительной вероятности ?*, где ?* определяется по формуле:

?* = ?i + ?2 - 1 (2.5.5)

г) Если принята двусторонняя доверительная вероятность ?1 = ?2 = ?, то доверительный интервал для генерального среднего находится по формулам:

(2.5.6)

где ? = ty S / n

Значение находится по формуле: y = (1+y*) / 2

из таблицы по заданным значениям y и k = n - 1.

3. Экспериментальная часть

Ассортимент упаковываемых товаров в многослойные пленки постоянно растет. И теперь невозможно создать монопленочный материал, который удовлетворял бы необходимым требованиям. Т.к. даже сочетание двух пленок обеспечивает следующие преимущества: а) увеличение прочностных характеристик, которое происходит за счет блокировки слабых мест (опасных дефектов) одного слоя прилегающими к ним бездефектными участками второго слоя. При наличие адгезионного взаимодействия между слоями происходит перераспределение напряжений и синхронизация работы отдельных слоев, из которых состоит многослойный материал; б) увеличиваются барьерные характеристики (уменьшается влаго-, паро- и жиропроницаемость; увеличивается жиростойкость); в) за счет чего увеличивается срок годности упакованного продукта.

Для производства многослойных пленочных материалов часто используют метод каширования.

На предприятии по производству многослойных и комбинированных пленочных материалов для гибкой упаковки ООО «Пакетти-групп» была установлена линяя итальянской фирмы «Nord meccanica group» (Super Simplex) по производству материалов способом бессольвентного каширования.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7