CC BY
95
Подсекция 1.2. Технология полиграфического и упаковочного производства
УДК 678.005
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЛЕНОК ПОЛИЭТИЛЕНА НИЗКОЙ ПЛОТНОСТИ НА СВОЙСТВА УПАКОВКИ
Ефремов Николай Федорович
профессор кафедры инновационных технологий в полиграфическом и упаковочном производстве,
доктор технических наук Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А nf.efremov@mail.ru
Утехин Александр Николаевич
доктор технических наук, старший научный сотрудник Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А alutekhin@yandex. гы
Канаичева Анна Васильевна
аспирант кафедры инновационных технологий в полиграфическом и упаковочном производстве Московский государственный университет печати имени Ивана Федорова 127550 Россия, г. Москва, ул. Прянишникова, д. 2А kanaicheva. а@^таИ. сот
Аннотация. Представлены результаты по исследованию пленок ПЭПН, полученных при различных технологических режимах. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии оценены зависимости структурных изменений и температур плавления кристаллов от режимов. Поляризационно-оптическим методом рассмотрена зависимость изменения оптических свойств от структурных особенностей.
Ключевые слова: полимерные пленки, упаковочный материал, поляризация, цвет.
Значимость упаковки в современном мире очень высока, а объемы ее производства возрастают с каждым годом. Она становится мощным средством продвижения товаров на рынке, в связи с этим требования к качеству упаковки постоянно растут.
На качество мягкой полимерной упаковки влияют свойства полимерных пленочных материалов и стабильность работы отделочного, фасовочно-упаковочного и печатного оборудования [1]. Для обеспечения стабильной работы оборудования необходимо производство пленочных материалов, разброс значений основных показателей которых будет минимален [2]. Основные характеристики пленок определяются на стадии производства.
Около 85% всей пленочной продукции производится способом экструзии с раздувом рукава, при котором трубчатая заготовка расплавленного полимера, выходящая из кольцевого отверстия головки, раздувается изнутри сжатым воздухом. Основные процессы производства пленки: подготовка сырья, плавление гранул и гомогенизация расплава, формирование пленочного рукава, ориентация и охлаждение пленки, намотка и упаковка пленки, контроль качества [3].
Типичный вид пленочного рукава изображен на рис. 1. Процесс деформирования рукава происходит в
интервале между головкой экструдера 1 и линией кристаллизации 2: рукав растягивается по длине тянущими валиками 4 и раздувается воздухом, подающимся внутрь рукава по диаметру 3. Происходит продольная и поперечная вытяжка.
Рис. 1. Схема пленочного рукава
Положение линии кристаллизации зависит от скорости экструзии и температуры, а также от интенсив-
ности воздушного охлаждения, осуществляемого обдувом рукава снаружи, которое продолжается вплоть до сжатия пленки тянущими валам.
Полимерные пленки изготавливали из гранул ПЭВД 15803-020 ГОСТ 16337-77 на лабораторном экструдере Э-16. В качестве регулируемых режимов была выбрана кратность горячей вытяжки, рассчитываемая по формуле
К =
V
где У} — скорость прохождения материала из головки и У0 — скорость выхода материала из головки Кг регулируется скоростью вращения приемных валов (4 на рис. 1). Давление внутри рукава поддерживали постоянным, поэтому кратность поперечной вытяжки увеличивалась пропорционально кратности продольной вытяжки, о чем свидетельствует уменьшение толщины. В табл. 1 представлены используемые кратности горячей вытяжки и толщины полученных пленок.
Таблица 1. Изменение толщины при увеличении кратности горячей вытяжки
Если считать причиной наличия нескольких эндотермических пиков на кривой ДСК присутствие в полимере кристаллов разного строения и размеров [4], то анализ табл. 3 позволяет проследить, как влияют технологические режимы на количественное соотношение кристаллов с различной температурой плавления в пленках.
Таблица 3. Теплофизические характеристики пленок ПЭНП полученных при различных технологических режимах по трем пикам
№ Кратность вытяжки, Кг Толщина пленки S, мм
1 7,2 100
2 9,4 70
3 12,2 42
Рп Площадь Ar,% Степень кристалличности Сг,% Температура плавления Т °C Т пл, C
Кг = 7,2
Р1 32,35 10,645 108,56
Р2 45,765 16,085 100,745
Рз 21,795 7,835 65,57
Кг = 9,4
Р1 32,34 10,305 108,385
Р2 53,905 19,93 98,015
Рз 10,955 3,665 86,97
Кг=12,2
Р1 41,07 14,305 108,115
Р2 40,995 15,135 97,775
Рз 34,8 11,74 50,34
Для оценки влияния изменения кратности вытяжки на структуру полимерной пленки был выбран метод дифференциальной сканирующей калориметрии на приборе фирмы №йсШ8С 204 Р^етхв атмосфере аргона при нагревании и охлаждении со скоростью 100 с/мин. Данный метод позволяет оценить изменение количественных характеристик энергетических преобразований в материале: кристалличность Сг, энтальпию процесса Н и температуру плавления Тга. Полученные результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2. Теплофизические характеристики пленок ПЭНП полученных при различных кратностях вытяжки
Кг Степень кристалличности, Сг % И, Д ж/г Т 0С Т пл, С
7,2 32,47 96,43 107,44
9,4 30,88 93,4 107,82
12,2 35,1 97,74 107,47
Анализ теплофизических характеристик показывает, что общая степень кристалличности полимера несущественно зависит от кратности вытяжки.
Общая кривая плавления ДСК была обработана с помощью компьютерной программы ORIGIN Pro 8, которая осуществляет аппроксимацию кривой сложной формы путем разложения на составляющие пики гауссианами. В результате выявлено три устойчивых полимодальных пика.
Для выявленных трех форм кристаллов температуры плавления практически не зависят от кратностей вытяжки (рис. 2). Данная закономерность свидетельствует об устойчивой форме кристаллов, которые сохраняются в пленке независимо от влияния технологических режимов.
Рис. 2. График зависимости температурных пиков от кратности горячей вытяжки
Диаграммы количественных соотношений кристаллов с различной температурой плавления (рис. 3) показывают, что умеренное увеличение кратности горячей
вытяжки с 7,2 до 9,4 приводит к уменьшению площади низкотемпературного пика (Р3), а также к увеличению его температуры с 65,57 до 86,97 С (табл. 3).
Известно, что плавление маленьких кристаллов происходит при более низких температурах, чем плавление больших кристаллов [4]. Следовательно, можно говорить о том, что умеренное увеличение кратности горячей вытяжки способствует увеличению количества кристаллов большего размера в пленке.
Увеличение кратности горячей вытяжки до 12,2 приводит к увеличению количества кристаллов с низкой температурой плавления (рис. 3).
е = -
Ml
Начальная длина образца — 43 мм, ширина — 10 мм. Растягивающее устройство позволяет растянуть пленку до 65 мм, что составляет 51% относительной деформации. Для наблюдения оптических эффектов образец растягивается с шагом 4-5% в продольном направлении. Поляризатор и анализатор находятся в скрещенном положении (рис. 5). Все наблюдаемые изменения фиксируются фотоаппаратом Nikon Coolpix 4500, закрепленном на фототубусе, и обрабатываются в программе Ps.
Рис. 3. Диаграмма количественного соотношения кристаллов с различной температурой плавления для пленок с различным значением Кг
Существует несколько возможных объяснений рассмотренному явлению. Во-первых, кристаллизация при большой кратности вытяжки может сопровождаться разрушением кристаллов на более мелкие. Во-вторых, сравнительно большая степень кристалличности и высокая кратность вытяжки могут способствовать тому, что кристаллы, зарождающиеся на последних стадиях кристаллизации, оказываются зажатыми между уже выросшими [5].
Для наблюдения и фиксирования оптических эффектов пленок ПЭНП был использован поляризационный микроскоп ЛОМО ПОЛАР-М Р-312. Исследование проводилось в проходящем свете. На предметном столике микроскопа располагается устройство для растяжения пленки, схема которого представлена на рис. 4. Зажимы 1 и 2 находятся на расстоянии минимальном друг от друга, в них закреплен образец 5. Растягивающий винт 3 позволяет передвигать зажим 1 и растягивать пленку. Относительная деформация рассчитывается по формуле
Рис. 4. Устройство для растяжения пленки: 1,2 — зажимыг; 3 — растягивающий винт; 4 — соединительная шпилька; 5 — образец
где Ml — абсолютное удлинение, 10 — первоначальная длинна образца.
Рис. 5. Расположение образца (о) относительно осей поляризации поляризатора (п) и анализатора (а)
При растяжении полимерной пленки возникает явление двойного лучепреломления. Этому явлению способствует анизотропия свойств полимера на молекулярном и надмолекулярном уровнях, возникающая в результате деформации растяжения [5]. По средствам деформирования пленки возможно наблюдение и фиксирование оптических и структурных изменений в плоско поляризованном свете.
При растяжении образца в плоско поляризованном свете наблюдается постепенное изменение цвета образца по мере увеличения относительной деформации. Начальной стадии проявления эффекта двойного лучепреломления соответствует бледно-желтый цвет, который далее меняется на желтый, оранжевый, крас-
ный, фиолетовый, синий, голубой, зеленый, далее цвета повторяются, начиная с желтого.
Было проведено растяжение и пошаговое фотографирование представленных пленок. Для характеристики оптических изменений отмечалось значение относительной деформации при появлении первой изохромы — первого четкого непереходного цвета (желтый). При растяжении первой пленки (Кг = 7,2)
первая изохрома наблюдается при 6%-ной относительной деформации (рис. 6), на второй пленке (Кг = 9,4) — при 16% (рис. 7). Разницу в 10% можно объяснить, опираясь на результаты, полученные методом ДСК: в пленке с большей кратностью вытяжки (Кг = 9,4) увеличенное количество кристаллов с большей температурой плавления, которые сложнее поддаются ориентации при деформации.
1 мм 1—1
0%
3%
6%
10%
13%
16%
18%
20%
Рис. 6. Наблюдаемый цвет пленки (Кг=7,2) при различных значениях относительного удлинения е, %
1 мм
. Ш
0% 2% 6% 11% 13% 16% 18% 21%
Рис. 7.Наблюдаемый цвет пленки (Кг=9,4) при различных значениях относительного удлинения е, %
1 мм
0% 2% 3% 5% 7% 10% 13% 15% 21%
Рис. 8. Наблюдаемый цвет пленки (Кг=12,2) при различных значениях относительного удлинения е, %
Однако пленка Кг = 12,2 отличается оптическими свойствами также, как и результатами ДСК. Данная пленка обнаруживала окраску практически сразу без растяжения (рис. 8). Можно предположить, что причиной этого явилась слишком сильная горячая вытяжка, которая способствовала накоплению значительных остаточных напряжений. Также согласно результатам, полученным методом ДСК, в данной пленке наибольшее количество кристаллов с низкими температурами плавления (наименьших размеров), которые быстрее ориентируются при деформации.
При исследовании пленок в плоско поляризованном свете наблюдается сетчатая структура, сочетающая линии под углом 45° к направлению оси вытяжки и перпендикулярных между собой. Для того чтобы оценить особенности сетки измерялся ее угол при различной относительной деформации. Так, при начальном растяжении сохраняется угол в 90° (рис. 9), что является подтверждением пропорциональности горячей вытяжки и раздува рукава.
Рис. 9. Пленка толщиной 80 мкм при относительном удлинении в 19%
При дальнейшем растяжении происходит постепенное уменьшение угла сетки (рис. 10). Так как полиэтилен частично находится в кристаллическом и частично в аморфном состояниях, двойное лучепреломление при деформации возможно обусловлено
двумя факторами: ориентацией молекулярных цепей в В ходе работы были получены пленки ПЭНП при аморфных областях и ориентацией кристаллов [5]. различных кратностях горячей вытяжки. Испытание Причиной описанного явления также может являться данных пленок позволило наблюдать зависимость разность показателей преломления кристаллических и изменения оптических свойств от соотношения кристаллов с различной температурой плавления в пленке. Обнаруженные эффекты, возможно, связаны с ориентацией кристаллов, полимерных цепей, разностью показателя преломления. Описанные эффекты в дальнейшем можно использовать в производстве упаковки для защитных технологий, технологий идентификации и определения качества продукции.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ефремов Н.Ф., Мандрусов А.А., Колесниченко М.Г. Разработка аппарата комплексного прогнозирования свойств пленок полиэтилена для производства упаковки // Известия вузов. Проблемы полиграфии и издательского дела. — 2010. — № 5. — С. 45-59.
2. Ефремов Н.Ф. Упаковочные системы в производстве мягкой тары для пищевой продукции // Пищевая промышленность. — 2012. — № 6. — С. 813.
3. Лебедева Т.М. Экструзия полимерных пленок и листов. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2009 — 216 с. (Библиотечка переработчика пластмасс).
4. Вундерлих Б. Физика макромолекул. Плавление кристаллов. — М.: Мир, 1984. — 490 с.
5. Сперанская Т.А., Тарутина Л.И. Оптические свойства полимеров. — Л.: Химия, 1976. — 136 с.
INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL PROCESSES BLOW SLEEVE FILMS LOW DENSITY POLYETHYLENE POLYMORPHISM AND OPTICAL PROPERTIES
Nikolay Fedorovich Efremov
Moscow State University of Printing Arts 127550 Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2А
Alexander Nikolaevich Utekhin Moscow State University of Printing Arts 127550 Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2А
Anna Vasilevna Kanaicheva
Moscow State University of Printing Arts 127550 Russia, Moscow, Pryanishnikova st., 2А
Annotation. The results of the study on the films PELD obtained at different process conditions. Structural changes are evaluated by means of differential scanning calorimetry method. The dependence of changes between optical properties and structural features is studied using polarization-optical method.
Keywords: polymeric films, packaging material, polarization, color.
аморфных областей.
0,5 мм
Рис. 10. Пленка толщиной 80 мкм при относительном удлинении в 46%
