Повышение адгезионной прочности многослойных полимерных материалов Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

ш

УПАКОВКА И ЛОГИСТИКА

УДК 621.798.4:66.084

Повышение адгезионной прочности

многослойных полимерных материалов

А.О. Уткин, аспирант

Московский государственный университет прикладной биотехнологии

Непрерывное развитие технологий, связанных с применением многослойных пленочных материалов, главным образом для упаковки пищевых продуктов, требует также и повышения качества самих материалов.

Как известно, один из ключевых параметров качества многослойного материала - адгезионная прочность между его слоями.

С целью повышения адгезионной прочности применяют различные способы обработки поверхностей

У9

10

L /

V-V4VV4 и

Рис. 1. Схема экструдера, использованного для получения образцов: 1 - датчик давления на участке 1; 2 - шнек № 1; 3 - мотор шнека № 1; 4 - бункер загрузки; 5 - мотор шнека № 2; 6 - ультразвуковая приставка; 7 - шнек № 2; 8 - датчик давления на участке 2; 9 - датчик давления на участке 3; 10 -плоскощелевя экструзионная головка

Условие эксперимента Давление на участках, кг/см2

среднее значение давления на участке 1 среднее значение давления на участке 2 среднее значение давления на участке 3

СУЗ 75,4 5,82 36,65 Без УЗ 86,8 10,15 39,5

Материал

Показатель ПЭТ/ПЭ ПП/ПЭ

С УЗ Без УЗ С УЗ Без УЗ

Сопротивление расслаиванию (среднее значение), Н/м 63,5 58,6 145,47 75,11

Ключевые слова: ультразвук, модификация полимеров, адгезия, кавитация, ламинация.

Key words: ultrasound, version of polymers, adhesion, cavitations, lamination.

Таблица 1

Показатели давления на участках экструдера

Таблица 2

Сопротивление расслаиванию образцов

материалов, такие, например, как обработка коронным разрядом, пламенная, плазменная обработка и др. Однако все эти методы подразумевают обработку подложки - материала, на который будет нанесен клеящий слой, или другой склеиваемый материал, и не связан с повышением адгезионных свойств наносимого материала. С другой стороны, во многих случаях, например, при соэк-струзии или экструзионном ламинировании, результат зависит именно от свойств наносимого адгезива. Известно, что одно из эффективных средств формирования структуры и свойств полимеров - акустическая, в том числе и ультразвуковая, обработка. Прохождение упругих механических колебаний через растворы полимеров приводит к возникновению химических, гидродинамических, диффузных и тепловых явлений, каждое из которых характерно воздействует на макромолекулы полимеров, что дает возможность регулирования и использования различных факторов при получении композиций с требуемыми свойствами. Использование этих факторов целесообразно не только для получения новых материалов, но, главным образом, для активации и модернизации уже имеющихся.

Опираясь на данные о влиянии ультразвука на полимерные материалы [1, 2, 3], было решено исследовать влияние ультразвуковых колебаний на адгезионные свойства расплава полиэтилена (ПЭ) при нанесении его на различные типы подложек.

Установка для получения образцов представляет собой два одношнеко-вых экструдера с независимым при-

водом каждого из них, объединенных в каскад (рис.1). Установка оснащена плоскощелевой головкой на конце. Экструдер, на конце которого установлена плоскощелевая головка, оснащен ультразвуковой приставкой. Воздействие ультразвуком проводили непосредственно на расплав полимера в шнеке экструдера.

На пленки из различных полимерных материалов (полипропилен -ПП, полиэтилентерефталат - ПЭТ, двуосноориентированный полипропилен: БОПП, полистирол - ПС наносили слой ПЭ с показателем текучести расплава (ПТР) равным 7 г/10 мин, ПО «Оргсинтез», г. Казань). Температура расплава составляла 260...280 *С. На каждый вид подложки наносили расплав, как подвергшийся, так и не подвергавшийся влиянию обработки ультразвуковых колебаний (с учетом практическим путем установленного времени прохождения массы расплава от зоны загрузки до головки экструдера). Перед ламинацией каждый вид подложки был подвергнут воздействию поля коронного разряда. Разность потенциалов на электродах установки коронного разряда составляла 20,5-21,0 кВ.

Мощность использованного генератора ультразвуковых колебаний -1,5 кВт. Генератор при работе использовали на 80 % от максимально возможной мощности, что с учетом КПД составляет около 1,0-1,2 кВт.

Установлено падение давления (табл.1) во всех зонах экструдера при включении излучателя ультразвуковых волн, что свидетельствует о снижении вязкости расплава полимера.

В качестве метода измерения поверхностной энергии слоев исследуемых образцов пленок, полученных из обработанного и не обработанного ультразвуком полиэтилена в расплаве, был выбран метод краевых углов смачивания поверхности водой. На исследуемую поверхность наносили каплю жидкости. С помощью микроскопа, расположенного горизонтально, а также с помощью специальной приставки определяли краевой угол смачивания у 12 пар образцов.

Средний краевой угол смачивания водой поверхности пленки из поли-

PACKAGING AND LOGISTICS Щ

1

этилена, обработанного в расплаве ультразвуком, составляет 42,7, а необработанного - 50,33, что говорит хотя и о незначительном, но возрастании поверхностной энергии у пленки, полученной из полиэтилена, подвергшемуся влиянию ультразвука. Расчет проводили по уравнению Оуэнса-Вендта:

Wa (ПЭ - УЗ) = 127х10-3 Дж/м2,

Wa (ПЭ) = 119,36х10-3 Дж/м2.

Мощность обработки всех видов подложек «коронным» разрядом была одинакова, поэтому она не может оказывать влияния на изменение адгезии между подложкой и наносимым полиэтиленом.

Кавитация - наиболее известный и изученный аспект влияния ультразвукового излучения на растворы, в том числе и полимерных материалов. Она сопровождается снижением молекулярной массы полимера вследствие деструкции и уменьшением вязкости раствора.

Ультразвуковая кавитация — возникновение в жидкости, облучаемой ультразвуком, пульсирующих и захлопывающихся пузырьков, заполненных газом или их смесью. Кави-тационные пузырьки в распространяющейся в растворе звуковой волне возникают и расширяются во время полупериодов разряжения и сжимаются после перехода в область повышенного давления. Во всех реальных растворах всегда достаточно много зародышей кавитации - микропузырьков газа, гидрофобных частиц, пылинок и пр. При захлопывании пузырьков газа возникают большие локальные давления порядка тысяч атмосфер, образуются ударные волны. Возле пульсирующих пузырьков формируются акустические микропотоки. Частоты ультразвуковых колебаний, при которых используется ультразвуковая кавитация в технологических целях, лежат в области низких частот. Интенсивность, соответствующая порогу кавитации, зависит от рода раствора (расплава), частоты колебаний, температуры и других факторов. Например, в воде на частоте 20 кГц она составляет около 0,3 Вт/см2. На частотах диапазона средних частот в ультразвуковом поле с интенсивностью от нескольких Вт/см2 могут возникать фонтанирование жидкости и распыление ее с образованием мелкодисперсного тумана.

Испытание на расслаивание-один из наиболее показательных тестов на определение наличия и величины адгезии между двумя мате-

риалами. Расслаиванию подвергали две пары полученных образцов, а именно ПЭТ/ПЭ, ПП/ПЭ.

Установка для расслаивания представляет собой разрывную машину, в которой один из зажимов выполнен в виде вращающегося вокруг своей оси цилиндра. Это позволяет поддерживать положение материала под прямым углом к оси движения зажимов, а также проводить расслаивание при постоянных параметрах, что положительно влияет на результаты испытания. В результате испытания были получены графики (рис. 2, 3, 4, 5), данные которых сведены в табл. 2.

Таким образом, в ходе работы установлено и подтверждено, что обработка расплава полимера волнами ультразвуковых колебаний перед нанесением на субстрат, подложку оказывает влияние на адгезионные свойства соединения между материалами- адгезионная прочность соединения материалов становится выше. Полученные в ходе работы данные об углах смачивания образцов полиэтилена говорят о том, что поверхностная энергия полиэтилена, обработанного в процессе переработки волнами ультразвуковых колебаний, выше по сравнению с необработанным. Как и ожидалось, в процессе переработки обрабатываемый ультразвуковыми волнами материал обладал более низким значением вязкости по сравнению с необрабатываемым полиэтиленом, что дает возможность предположить возможность переработки того же самого материала при более мягких температурных и более экономичных энергетических режимах.

Следующим этапом работы по определению влияния ультразвуковых волн на адгезионные свойства полимерных материалов будут определение возможности «запоминания» и сохранения эффекта на определенное время, а также поиск оптимальных режимов интенсивности ультразвука.

ЛИТЕРАТУРА

1. Негматов, С.С. Технология получения полимерных покрытий/С.С. Негматов. - Ташкент, ФАН, 1975. -231 с.

2. Негматов, С.С. Адгезионные и прочностные свойства полимерных материалов и покрытий на их осно-ве/С.С. Негматов, Ю.М. Евдакимов, Х.Ч. Садыков. - Ташкент, ФАН, 1979. - 168 с

3. Юрханов, В.Б. Физико-механическая модификация полимеров по-

23 ■.........................h ■■■ ■■■

О » 60 60 1« 120 1« I» 160 ПО 220 24 260 3» Я» 320

Удлинение, v..

Рис. 2. График расслаивания пленки ПЭТ/ПЭ (без УЗ)

0 20 40 60 ВО 100 120 14 160 160 2» 220

Удлинение, мм

Рис.3. График расслаивания пленки ПЭТ/ПЭ (с УЗ)

32 :.....

D 20 40 Я » 100 120 140 160 1Й Й» 230 340 280 200 ЯМ J20 540

Удлинение, им

Рис. 4. График расслаивания пленки ПП/ПЭ (без УЗ)

Удлинение, мм

Рис. 5. График расслаивания пленки ПП/ПЭ (с УЗ)

лиолефинового ряда и композиций на их основе в ультразвуковом поле: Автореф. дисс. - Санкт-Петербург, 1995.