Сравнение технологий производства барьерных пленок

Сравнение технологий производства барьерных пленок

30 Января 2013
Сравнение технологий производства барьерных пленок

По оценкам ООН, в 2050 году население Земли составит около 10 миллиардов человек. Ведение стабильной хозяйственной деятельности с использованием природных ресурсов и обеспечение растущего населения земного шара — центральные и глобальные задачи ближайших десятилетий. В связи с этим последнее исследование Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (FAO) наводит на размышления. По данным исследования, в мире утрачивается треть произведенного продовольствия. В развитых промышленных странах проблема в основном состоит в перепроизводстве и расточительном отношении конечного потребителя к продуктам питания. В развивающихся же странах проблема заключается в потерях продуктов питания по всей производственной цепочке от производителя до потребителя.

Усовершенствование упаковки может внести заметный вклад в дело исправления такой ситуации. В развивающихся странах применение соответствующей упаковки может значительно снизить потери продуктов питания на пути к потребителю. Но и в развитых странах мерой противодействия потерям продовольствия может стать применение индивидуальных систем упаковки, позволяющих, например, учесть тенденции к увеличению числа домохозяйств из одного человека и предложить потребителям мелкую упаковку.

 

Прочная гибкая упаковка

 

На рынке представлены различные системы упаковки, основанные на использовании в качестве сырья бумаги, стекла, металла и пластмасс. Наиболее эффективным во многих аспектах упаковочным решением для разных областей применения оказывается «гибкая упаковка», основанная на использовании полимерных пленок. Рисунок 1 наглядно показывает результаты сравнения различных упаковочных систем для изюма. Согласно этому исследованию, благодаря применению гибкой упаковки и при соблюдении всех спецификаций затрачивается значительно меньше ресурсов, чем при использовании картонной упаковки или упаковки «пакет в коробке». Кроме этого, благодаря применению гибкой упаковки заметно сокращаются расход энергии и воздействие на экологию CO2 в ходе всего жизненного цикла продукта.

 


 

 

Для производства требующихся для такой упаковки упаковочных пленок существуют различные экструзионные технологии. Далее будут представлены приобретшие широкую известность технологии поливной экструзии, традиционной выдувной экструзии и выдувной экструзии с водяным охлаждением.

 

Технология поливной экструзии

 

По технологии поливной экструзии производятся, в частности, барьерные пленки, стретч, пленки из каст полипропилена (CPP), защитные и гигиенические пленки. Для этого различные материалы пластифицируются, как правило, в нескольких экструдерах, после чего полученные потоки расплава объединяются в приемном блоке совместной экструзии (рисунок 2). Следующая далее форсунка экструдера распределяет полученный многослойный поток по соответствующей рабочей ширине. Выступающий из форсунки расплав вытягивается по ходу машины и накладывается на охлаждающий валик, так называемый Chill-Roll, где пленка калибрируется и застывает. После измерения распределения толщин и (опционально) обработки коронарным разрядом пленка сматывается в рулон на устройстве намотки.

 


 

 

В зависимости от области применения на установке поливной экструзии Filmex могут производиться пленки до 11 слоев с шириной нетто до 4000 мм в диапазоне толщины от 8 до 300 µm. Благодаря применению технологии Nanolayer-Feedblock (распределитель наноразмерных слоев) количество слоев может быть увеличено до 30, что позволит получать пленки со специальными свойствами. Благодаря хорошим условиям охлаждения расплава на охлаждающем барабане Chill-Roll при технологии поливной экструзии можно достичь высокой производительности до 3000 кг/час. При этом в результате определенного наложения расплава и настройки ширины щели экструзионной форсунки удается достичь замечательных значений по допускам общей толщины пленки. Применение систем обработки кромки позволяет легко выполнить требования заказчика относительно ширины пленки. Для повышения экономичности процесса в целом рекомендуется повторно использовать материал обрезки кромки. Благодаря дополнительной капсуляции на внешних краях форсунки может быть введен моносортный материал, вследствие чего значительно повышается доля повторно применимой обрезки даже при смешанной структуре пленки (как, например, у барьерных пленкок).

 

Технология выдувной экструзии

 

В установках для выдувной экструзии, как и при технологии поливной экструзии, как правило, несколько экструдеров подают различные потоки расплава полимера (рисунок 3). Эти потоки подводятся к так называемой выдувной головке и образуют там многослойный кольцевой поток. Для этого отдельные потоки расплава, каждый в своей системе спиральных распределителей, образуют кольцевые потоки, а затем объединяются с другими слоями расплава. После выхода из кольцевой форсунки расплав полимера вытягивается, как правило, вертикально вверх. При этом рукав расплава обдувается воздухом под давлением и при этом одновременно охлаждается изнутри и снаружи. Далее производится плоское складывание рукава с последующей подачей на узел намотки. Этот узел может быть выполнен для намотки рукавной пленки на один рулон или для намотки полотна на два рулона после разрезания рукава с двух сторон.

 


 

 

Различные установки для выдувной экструзии могут производить пленки из 1–9 слоев обычного диапазона толщины от 8 до 250 µm. При этом удается достичь производительности до 1500 кг/час, в зависимости от задач. Эти установки применимы для получения рабочей ширины пленки до 3600 мм, что соответствует объему рукавной пленки в 7200 мм. Благодаря хорошему распределению расплава системами спиральных распределителей и позднему объединению отдельных потоков расплава в выдувной головке в процессе выдувной экструзии достигаются выдающиеся показатели в допусках толщины отдельных слоев. Кроме этого, благодаря компактной конструкции выдувных головок соотношение различных слоев может варьироваться в широком диапазоне. Важным характерным признаком процесса выдувной экструзии является двухосная ориентация пленочного рукава вследствие одновременного вытягивания и выдувки. Благодаря этому могут производиться пленки со сбалансированными механическими свойствами в длину и в поперечном направлении. Кроме этого, данная технология предоставляет возможность установить ширину пленки при помощи регулировки параметров продувки. В комбинации с возможностью разрезания рукава с двух сторон по линиям сгиба мы получаем возможность производства пленочного полотна вообще без отходов обрезки.

По технологии выдувной экструзии производится широкий спектр пленок, в т. ч. упаковочные пленки, индустриальные пленки, сельскохозяйственные и гигиенические пленки.

 

Пленка, полученная в результате выдувной экструзии с водяным охлаждением

 

Установка Aquarex расширяет предназначена для выдувной экструзии с водяным охлаждением. В отличие от традиционных процессов выдувной экструзии, при этой технологии пленочный рукав вытягивается вертикально вниз. При этом охлаждающей средой является не воздух, а вода.

Как и в установке выдувной экструзии, здесь различные материалы так же пластифицируются в экструдерах и подаются к выдувной головке в многослойный кольцевой поток. Выступающий из выдувной головки рукав расплава вытягивается вертикально вниз и одновременно продувается изнутри под давлением. Затем водяной калибратор подает под контролем воду на пузырь пленки. Вследствие высокой эффективности системы водного охлаждения полимерный расплав быстро охлаждается и одновременно калибруется. Затем пленочный рукав укладывается на плоскость, натягивается и подается на устройство одинарной или двойной намотки. При этом во всей установке используются проверенные компоненты модульной конструкции Varex, например, экструдер, выдувные головки, автоматика и устройство намотки.

Так могут производиться пленки из 9 слоев с рабочей шириной до 1600 мм и в диапазоне толщин от 30 до 300 µm. Благодаря инновационной концепции охлаждения удается достичь одновременно высокой производительности при небольшой высоте самой установки. Важным отличительным признаком этой технологии является необычно широкий спектр свойств производимых полимерных пленок, достигаемый благодаря мгновенному охлаждению расплава. Далее будут детально рассмотрены свойства пленок и вытекающие отсюда области применения выдувных пленок с водяным охлаждением.

 

Интенсивность охлаждения определяет свойства пленки

 

Представленные процессы обнаруживают различную интенсивность охлаждения в связи с разными концепциями охлаждения. В то время как при производстве традиционной выдувной пленки расплав полимера охлаждается благодаря конвекции холодного воздуха, при технологии поливной экструзии достигается более высокая интенсивность охлаждения путем наложения расплава на охлаждающий барабан Chill-Roll определенной температуры. Вследствие прямого контакта с водой при технологии выдувной экструзии с водяным охлаждением достигается еще большая интенсивность охлаждения. Вследствие мгновенного затвердения расплава полимера в водяной ванне предотвращается образование кристаллических структур. В результате получаются необыкновенно гибкие пленки с аморфной молекулярной структурой. Вследствие низкой степени кристаллизации пленки, полученные по технологии выдувной экструзии с водяным охлаждением, проявляют хорошие качества для сварки и термоформования. Помимо этого, такая пленка отличается сильным блеском, низкой степенью помутнения и высокой прозрачностью.

 


 

 

В результате обширных исследований были получены количественные показатели влияния процесса на механические и оптические свойства пленки, а также на ее пригодность для дальнейшей обработки. Предметом исследования были пленки крышки и донца типичной упаковки для пищевых продуктов. Для этого были изготовлены по представленным технологиям и затем исследованы семислойные асимметричные барьерные пленки толщиной 100 и 230 µm. Для сравнения механических свойств применялся E-модуль пленки донца, изготовленной по разным технологиям. Вследствие более низкой интенсивности охлаждения традиционная выдувная пленка имеет более высокую степень кристаллизации, что в совокупности с двухосной ориентацией молекул дает лучшие механические качества. При сравнении полученных значений помутнения обнаруживается, что при использовании технологии поливной экструзии и выдувной экструзии с водяным охлаждением могут быть достигнуты более низкие показатели помутнения по сравнению с традиционной выдувной пленкой. В то время как обе эти технологии показывают общий уровень для более тонких пленок, в случае с более толстой пленкой донца явно заметно преимущество выдувной пленки с водяным охлаждением.

 

Итог

 

Представленные технологии поливной экструзии, традиционной выдувной экструзии и выдувной экструзии с водяным охлаждением обнаруживают различные, свойственные определенным технологическим процессам преимущества и недостатки. Какая технология наиболее предпочтительна с экономической и экологической точки зрения, должно определяться отдельно для каждого проекта с учетом разных аспектов, например, затрат на сырье, размера партии, требований рынка, ассортимента пленочной продукции.

Поделиться: