25.07.2024
Плоскощелевые и ориентированные пленки
В зависимости от устройства экструзионной линии можно получать три основных типа пленок, которые имеют наибольшее распространение: рукавные пленки (экструзия с раздувом рукава), каст-пленки (плоскощелевые, неориентированные пленки) и биаксиальноориентированные пленки (БОПП-пленки). Каждый тип имеет свои преимущества и недостатки. Специалисты компании «СИБУР» рассказывают о специфике производства и применения неориентированных и ориентированных пленок.
Производство каст-пленок
Многие операции производства плоскощелевых пленок, в том числе процессы подготовки, дозирования и экструзии, аналогичны способу изготовления выдувных пленок. Полимерное сырье и другие компоненты рецептуры с помощью системы дозирования подаются в экструдер (или в несколько экструдеров в случае производства многослойных пленок), где под воздействием тепла и сдвиговых деформаций происходит плавление полимеров, пластикация и гомогенизация расплава.
После выхода из экструдера расплав полимера проходит фильтрацию и по расплавопроводу поступает в плоскощелевую фильеру. Существует две основные разновидности конструкции плоскощелевых фильер: Т-образные фильеры и фильеры типа «вешалка». Т-образные фильеры чаще используются для нанесения экструзионных покрытий. В фильерах типа «вешалка» реализовано лучшее распределение расплава по всей ширине, что снижает разнотолщинность пленок; такие фильеры используются в большинстве современных линий по производству каст-пленок.
В случае соэкструзии, когда получают многослойные пленки, появляется необходимость соединения потоков расплава из нескольких экструдеров для формирования единой многослойной структуры. Для объединения слоев в плоскощелевой фильере используются два подхода. Первый подход заключается в том, что каждый экструдер подает расплав полимера в устройство для объединения, известное как фидблок. Его основная функция заключается в объединении потоков полимерного расплава таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение слоев перед подачей в фильеру. Большинство фидблоков обеспечивают гибкость в соотношении и количестве слоев благодаря использованию специальных заглушек, штифтов и других устройств.
Второй подход заключается в том, что потоки расплава распределяются по ширине фильеры каждый в своем канале. Как правило, это происходит в многоканальной фильере, где потоки расплава объединяются непосредственно перед выходом из фильеры. Также возможно использование нескольких плоскощелевых фильер и объединение потоков расплава сразу после выхода из фильер.
Технология, включающая фидблок, как правило, дешевле и универсальнее, чем метод с применением многоканальных фильер. Последние обычно предназначены для получения одной конкретной структуры пленки, то есть увеличение или сокращение количества слоев становится затруднительным. Зато многоканальные фильеры менее чувствительны к нестабильности потока и позволяют комбинировать более разнообразные по своей природе полимеры. Кроме того, такие фильеры позволяют комбинировать полимеры с различными температурами расплава с минимальной теплопередачей между ними.
После выхода из фильеры расплав полимера тонким слоем подается на поливной барабан (вал), который охлаждается изнутри водой, его температура может варьироваться в диапазоне 15-70°С (для полиолефиновых пленок обычно 20-30°С). Температура расплава резко понижается от соприкосновения с барабаном до температуры ниже отверждения полимера, и в результате формируется твердая полимерная пленка. Недалеко от места выхода расплава из фильеры на поливной барабан находится вакуум-камера, создающая сильное разрежение воздуха. Это обеспечивает плотное прилегание потока расплава к барабану, стабилизирует поток расплава на высокопроизводительных линиях и тем самым минимизирует количество обрывов и срывов расплава.
Дополнительно для стабилизации расплава и его охлаждения может устанавливаться воздушный нож. На высокопроизводительных линиях также устанавливаются электроды фиксации кромки, позволяющие выравнивать положение кромки на охлаждающем барабане и исключить срыв расплава на больших скоростях. В этом узле также можно установить камеру отсоса паров и иных выделений, которые возникают из-за более высокой температуры экструзии, чем при производстве рукавных пленок. Охлаждение расплава на поливном барабане дает отличный результат и способствует образованию более мелких кристаллических структур по сравнению с кристаллами, образующимися при производстве выдувных пленок. Из-за этого каст-пленки имеют существенно более высокие оптические свойства.
После охлаждения пленка поступает в систему контроля толщины. В современных высокопроизводительных линиях толщина пленки измеряется с помощью емкостных, инфракрасных или радиоактивных датчиков. После измерения программное обеспечение рассчитывает разнотолщинность и подает сигнал на плоскощелевую фильеру, снабженную термоболтами, которые в зависимости от полученного сигнала нагреваются или охлаждаются, регулируя зазор фильеры в том месте, где имеются отличия в толщине пленки. Таким образом происходит постоянный контроль и стабилизация толщины, что позволяет добиться отличных показателей разнотолщинности и качества каст-пленок.
В процессе производства плоскощелевых пленок толщина краев всегда больше, поэтому операция обрезки кромок является обязательной для данной технологии. Она не приводит к образованию отходов, так как обрезанные кромки подаются обратно в экструдер.
Стретч-пленки
Наибольшее распространение получили каст-пленки из полипропилена (ПП) и полиэтилена (ПЭ). Каст-пленки из ПП в основном используются для ламинации, для упаковки продуктов питания и непищевых продуктов, для медицинских и гигиенических изделий, а также для тех сфер применения, где требуется высокая прочность. Из ПЭ обычно делают стретч-пленки, пленки для пищевой упаковки, воздушно-пузырьковые пленки, термосвариваемые слои многослойных пленок и пленки для ламинации.
Одним из наиболее распространенных типов пленки, производимых по технологии плоскощелевой экструзии, является стретч-пленки. Они обладают способностью к растяжению (престретчу) на 50-500% в зависимости от марки и качества. После растяжения пленка стремится вернуться к исходному сжатому состоянию, что способствует плотной упаковке или фиксации предметов. При обмотке товаров слои пленки хорошо слипаются друг с другом, но не прилипают к товарам.
Стретч-пленки по способу применения подразделяются на ручные (обмотка грузов или товаров осуществляется вручную) и машинные — для обмотки с помощью паллетайзеров. Ручные пленки имеют толщину 15, 17, 20 мкм и небольшой престретч — 25-50%. Престретч — одна из ключевых технических характеристик стретч-пленки, которая показывает, на сколько процентов увеличится длина пленки при растяжении с сохранением ширины. Ручные стретч-пленки производятся в основном из бутенового (С4) линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП). В производстве ручных стретч-пленок для упаковки непищевых продуктов часто применяется вторичное сырье. В основном заказчиками ручных стретч-пленок являются различные ритейлеры, аэропорты; также ручные стретч-пленки подходят для домашнего использования, например известная всем нам пищевая пленка.
Машинные стретч-пленки обычно имеют толщину 17, 20 и 23 мкм. Они в свою очередь подразделяются на три типа: Standard с престретчем 150-180%, Power с престретчем 220-300% и Super Power с престретчем более 300%. Стретч-пленки Standard и Power широко применяются по всему миру, а пленки Super Power имеют ограниченное применение. Пленки Power и Super Power изготавливаются из линейного ПЭНП с гексеновым или октеновым сомономером и металлоценового ЛПЭНП. Использование вторичного сырья при производстве таких стретч-пленок нежелательно.
К параметрам всех типов стретч-пленок предъявляются следующие требования:
— способность к растяжению до необходимого уровня престретча;
— высокая прочность на разрыв;
— стойкость к проколу и раздиру;
— достаточная прозрачность;
— высокий показатель стягивающего усилия (усилие, создаваемое остаточным напряжением в пленке после ее растяжения при обмотке или упаковке объектов).
Каст-ПП-пленки
Важная сфера применения каст-пленок — упаковка продуктов питания. Например, пленки из полипропилена широко используются для упаковки хлебобулочных изделий и для ламинации других упаковочных материалов. Структура таких пленок довольно типична: средний слой состоит из гомополипропилена, который обеспечивает прочностные характеристики. Наружные слои обычно содержат сополимер пропилена с этиленом или бутеном, который придает пленке термосвариваемость, а также облегчает активацию поверхности коронным разрядом для последующей печати. В рецептурах большинства каст-ПП-пленок (CPP-пленок) используются антиблокирующие и скользящие добавки для облегчения дальнейших процессов переработки (печати, ламинации, упаковки).
Каст-ПП-пленки должны отвечать следующим требованиям:
— хорошие оптические свойства (прозрачность и отсутствие дефектов);
— термосвариваемость;
— хорошие физико-механические свойства;
— возможность активации поверхности.
Производство БОПП-пленок
В процессе производства биаксиальноориентированных пленок выполняется ориентация, то есть растягивание предварительно сформированной пленки (листа) в продольном и поперечном направлениях при температурах ниже температуры плавления основного полимера. Ориентация может быть последовательной и одновременной.
Рассмотрим наиболее распространенный процесс последовательной ориентации. Первым этапом является изготовление каст-пленки (способ изготовления описан выше). Каст-пленка проходит через охлаждающую ванну, затем с поверхности пленки удаляются остатки воды. Сухая пленка подается на узел ориентации в машинном, то есть в продольном, направлении (MDO). Этот узел состоит из нескольких нагреваемых валов. На первых валах пленка нагревается до температуры размягчения полимера. Далее она подается на валы, вращающиеся с разной скоростью, на которых происходит ориентация пленки в продольном направлении. Разница в скорости между валами определяет степень растяжения, или ориентации. После этого пленка проходит через несколько нагреваемых валов, на которых происходит процесс термофиксации и «закрепления» полученной ориентации.
Следующим этапом является ориентация пленки в поперечном направлении. Для этого пленка подается в так называемую тентерную раму, где по краям зажимается и закрепляется клуппами. Они расходятся в разные стороны по мере продвижения пленки по линии, при этом происходит растяжение пленки в поперечном направлении. Пространство внутри тентерной рамы нагревают с точным поддержанием температуры. После ориентации в поперечном направлении пленка вновь подвергается этапу термофиксации, или отжига, для улучшения стабильности размеров и уменьшения усадки. Температура отжига обычно выше температуры ориентации; пленка остается зажатой во время отжига, чтобы предотвратить усадку и зафиксировать ориентацию. Последующий нагрев пленки ниже температуры термофиксации сохраняет ориентацию и не приводит к термоусадке, то есть пленка сохраняет свои размеры. После поперечной ориентации в тентерной раме пленка охлаждается до комнатной температуры, кромки обрезаются, при необходимости выполняется активация. Готовая пленка наматывается в большие рулоны, которые затем режутся и перематываются на рулончики меньшей ширины и массы.
Кроме ориентации с помощью тентерной рамы, есть другие способы ориентации, например технология MDO или процессы Double/Triple Bubble. Последние заключаются в изготовлении пленки из ПЭ или ПП рукавным способом, однако расплав после выхода из кольцевого зазора фильеры не раздувается воздухом, а попадает в ванну с водой, где быстро охлаждается и переходит в твердое состояние. Диаметр полученного рукава равен диаметру фильеры. Вследствие быстрого охлаждения снижается кристалличность полимера. После охлаждения рукав снова нагревается до температуры размягчения и раздувается изнутри, как при изготовлении обычных рукавных пленок; таким образом выполняется ориентация в продольном и поперечном направлениях. После этого рукав снова складывается, и проходит этап термофиксации. Пленки, полученные этим способом, имеют более равномерные свойства по сравнению с пленкой, полученной на тентерной раме, но производительность таких линий ниже. По этой технологии можно производить барьерные и термоусадочные пленки.
Технология MDO позволяет получать и моноориентированные пленки. Для этого устанавливается дополнительный узел на линии производства рукавных пленок между намотчиком и складывающей рамой. Сложенный рукав проходит через систему валов. На первых валах происходит нагрев пленки до температуры размягчения. Далее пленка проходит через валы, вращающиеся с разной скоростью, где происходит ее ориентация. После этого ориентированная пленка проходит через валы, на которых происходит отжиг, или термофиксация. После термофиксации пленка охлаждается на валах охлаждения. Все это повышает ее прочностные, барьерные и оптические свойства.
Виды БОПП-пленок
БОПП-пленки имеют широкую область применения. Они используются для пищевой и непищевой упаковки, для производства этикеток и в технических сферах.
Благодаря ориентации, БОПП-пленки обладают отличными физико-механическими свойствами (высокой прочностью при растяжении и низким относительным удлинением) и оптическими свойствами, а также хорошей термостойкостью..
Посмотреть в журнале
Производство каст-пленок
Многие операции производства плоскощелевых пленок, в том числе процессы подготовки, дозирования и экструзии, аналогичны способу изготовления выдувных пленок. Полимерное сырье и другие компоненты рецептуры с помощью системы дозирования подаются в экструдер (или в несколько экструдеров в случае производства многослойных пленок), где под воздействием тепла и сдвиговых деформаций происходит плавление полимеров, пластикация и гомогенизация расплава.
После выхода из экструдера расплав полимера проходит фильтрацию и по расплавопроводу поступает в плоскощелевую фильеру. Существует две основные разновидности конструкции плоскощелевых фильер: Т-образные фильеры и фильеры типа «вешалка». Т-образные фильеры чаще используются для нанесения экструзионных покрытий. В фильерах типа «вешалка» реализовано лучшее распределение расплава по всей ширине, что снижает разнотолщинность пленок; такие фильеры используются в большинстве современных линий по производству каст-пленок.
В случае соэкструзии, когда получают многослойные пленки, появляется необходимость соединения потоков расплава из нескольких экструдеров для формирования единой многослойной структуры. Для объединения слоев в плоскощелевой фильере используются два подхода. Первый подход заключается в том, что каждый экструдер подает расплав полимера в устройство для объединения, известное как фидблок. Его основная функция заключается в объединении потоков полимерного расплава таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение слоев перед подачей в фильеру. Большинство фидблоков обеспечивают гибкость в соотношении и количестве слоев благодаря использованию специальных заглушек, штифтов и других устройств.
Второй подход заключается в том, что потоки расплава распределяются по ширине фильеры каждый в своем канале. Как правило, это происходит в многоканальной фильере, где потоки расплава объединяются непосредственно перед выходом из фильеры. Также возможно использование нескольких плоскощелевых фильер и объединение потоков расплава сразу после выхода из фильер.
Технология, включающая фидблок, как правило, дешевле и универсальнее, чем метод с применением многоканальных фильер. Последние обычно предназначены для получения одной конкретной структуры пленки, то есть увеличение или сокращение количества слоев становится затруднительным. Зато многоканальные фильеры менее чувствительны к нестабильности потока и позволяют комбинировать более разнообразные по своей природе полимеры. Кроме того, такие фильеры позволяют комбинировать полимеры с различными температурами расплава с минимальной теплопередачей между ними.
После выхода из фильеры расплав полимера тонким слоем подается на поливной барабан (вал), который охлаждается изнутри водой, его температура может варьироваться в диапазоне 15-70°С (для полиолефиновых пленок обычно 20-30°С). Температура расплава резко понижается от соприкосновения с барабаном до температуры ниже отверждения полимера, и в результате формируется твердая полимерная пленка. Недалеко от места выхода расплава из фильеры на поливной барабан находится вакуум-камера, создающая сильное разрежение воздуха. Это обеспечивает плотное прилегание потока расплава к барабану, стабилизирует поток расплава на высокопроизводительных линиях и тем самым минимизирует количество обрывов и срывов расплава.
Дополнительно для стабилизации расплава и его охлаждения может устанавливаться воздушный нож. На высокопроизводительных линиях также устанавливаются электроды фиксации кромки, позволяющие выравнивать положение кромки на охлаждающем барабане и исключить срыв расплава на больших скоростях. В этом узле также можно установить камеру отсоса паров и иных выделений, которые возникают из-за более высокой температуры экструзии, чем при производстве рукавных пленок. Охлаждение расплава на поливном барабане дает отличный результат и способствует образованию более мелких кристаллических структур по сравнению с кристаллами, образующимися при производстве выдувных пленок. Из-за этого каст-пленки имеют существенно более высокие оптические свойства.
После охлаждения пленка поступает в систему контроля толщины. В современных высокопроизводительных линиях толщина пленки измеряется с помощью емкостных, инфракрасных или радиоактивных датчиков. После измерения программное обеспечение рассчитывает разнотолщинность и подает сигнал на плоскощелевую фильеру, снабженную термоболтами, которые в зависимости от полученного сигнала нагреваются или охлаждаются, регулируя зазор фильеры в том месте, где имеются отличия в толщине пленки. Таким образом происходит постоянный контроль и стабилизация толщины, что позволяет добиться отличных показателей разнотолщинности и качества каст-пленок.
В процессе производства плоскощелевых пленок толщина краев всегда больше, поэтому операция обрезки кромок является обязательной для данной технологии. Она не приводит к образованию отходов, так как обрезанные кромки подаются обратно в экструдер.
Готовую пленку часто обрабатывают коронным разрядом для активации ее поверхности. Это необходимо, если впоследствии планируется наносить на пленку печать или другие покрытия, отличающиеся по полярности от полиолефинов. После всех вышеописанных стадий пленка направляется на намотчик, который обеспечивает ее равномерную намотку в рулоны и позволяет менять рулоны, не прерывая процесс производства пленки.
Наибольшее распространение получили каст-пленки из полипропилена (ПП) и полиэтилена (ПЭ). Каст-пленки из ПП в основном используются для ламинации, для упаковки продуктов питания и непищевых продуктов, для медицинских и гигиенических изделий, а также для тех сфер применения, где требуется высокая прочность. Из ПЭ обычно делают стретч-пленки, пленки для пищевой упаковки, воздушно-пузырьковые пленки, термосвариваемые слои многослойных пленок и пленки для ламинации.
Одним из наиболее распространенных типов пленки, производимых по технологии плоскощелевой экструзии, является стретч-пленки. Они обладают способностью к растяжению (престретчу) на 50-500% в зависимости от марки и качества. После растяжения пленка стремится вернуться к исходному сжатому состоянию, что способствует плотной упаковке или фиксации предметов. При обмотке товаров слои пленки хорошо слипаются друг с другом, но не прилипают к товарам.
Стретч-пленки по способу применения подразделяются на ручные (обмотка грузов или товаров осуществляется вручную) и машинные — для обмотки с помощью паллетайзеров. Ручные пленки имеют толщину 15, 17, 20 мкм и небольшой престретч — 25-50%. Престретч — одна из ключевых технических характеристик стретч-пленки, которая показывает, на сколько процентов увеличится длина пленки при растяжении с сохранением ширины. Ручные стретч-пленки производятся в основном из бутенового (С4) линейного полиэтилена низкой плотности (ЛПЭНП). В производстве ручных стретч-пленок для упаковки непищевых продуктов часто применяется вторичное сырье. В основном заказчиками ручных стретч-пленок являются различные ритейлеры, аэропорты; также ручные стретч-пленки подходят для домашнего использования, например известная всем нам пищевая пленка.
Машинные стретч-пленки обычно имеют толщину 17, 20 и 23 мкм. Они в свою очередь подразделяются на три типа: Standard с престретчем 150-180%, Power с престретчем 220-300% и Super Power с престретчем более 300%. Стретч-пленки Standard и Power широко применяются по всему миру, а пленки Super Power имеют ограниченное применение. Пленки Power и Super Power изготавливаются из линейного ПЭНП с гексеновым или октеновым сомономером и металлоценового ЛПЭНП. Использование вторичного сырья при производстве таких стретч-пленок нежелательно.
К параметрам всех типов стретч-пленок предъявляются следующие требования:
— способность к растяжению до необходимого уровня престретча;
— высокая прочность на разрыв;
— стойкость к проколу и раздиру;
— достаточная прозрачность;
— высокий показатель стягивающего усилия (усилие, создаваемое остаточным напряжением в пленке после ее растяжения при обмотке или упаковке объектов).
Каст-ПП-пленки
Важная сфера применения каст-пленок — упаковка продуктов питания. Например, пленки из полипропилена широко используются для упаковки хлебобулочных изделий и для ламинации других упаковочных материалов. Структура таких пленок довольно типична: средний слой состоит из гомополипропилена, который обеспечивает прочностные характеристики. Наружные слои обычно содержат сополимер пропилена с этиленом или бутеном, который придает пленке термосвариваемость, а также облегчает активацию поверхности коронным разрядом для последующей печати. В рецептурах большинства каст-ПП-пленок (CPP-пленок) используются антиблокирующие и скользящие добавки для облегчения дальнейших процессов переработки (печати, ламинации, упаковки).
Каст-ПП-пленки должны отвечать следующим требованиям:
— хорошие оптические свойства (прозрачность и отсутствие дефектов);
— термосвариваемость;
— хорошие физико-механические свойства;
— возможность активации поверхности.
Производство БОПП-пленок
В процессе производства биаксиальноориентированных пленок выполняется ориентация, то есть растягивание предварительно сформированной пленки (листа) в продольном и поперечном направлениях при температурах ниже температуры плавления основного полимера. Ориентация может быть последовательной и одновременной.
Рассмотрим наиболее распространенный процесс последовательной ориентации. Первым этапом является изготовление каст-пленки (способ изготовления описан выше). Каст-пленка проходит через охлаждающую ванну, затем с поверхности пленки удаляются остатки воды. Сухая пленка подается на узел ориентации в машинном, то есть в продольном, направлении (MDO). Этот узел состоит из нескольких нагреваемых валов. На первых валах пленка нагревается до температуры размягчения полимера. Далее она подается на валы, вращающиеся с разной скоростью, на которых происходит ориентация пленки в продольном направлении. Разница в скорости между валами определяет степень растяжения, или ориентации. После этого пленка проходит через несколько нагреваемых валов, на которых происходит процесс термофиксации и «закрепления» полученной ориентации.
Следующим этапом является ориентация пленки в поперечном направлении. Для этого пленка подается в так называемую тентерную раму, где по краям зажимается и закрепляется клуппами. Они расходятся в разные стороны по мере продвижения пленки по линии, при этом происходит растяжение пленки в поперечном направлении. Пространство внутри тентерной рамы нагревают с точным поддержанием температуры. После ориентации в поперечном направлении пленка вновь подвергается этапу термофиксации, или отжига, для улучшения стабильности размеров и уменьшения усадки. Температура отжига обычно выше температуры ориентации; пленка остается зажатой во время отжига, чтобы предотвратить усадку и зафиксировать ориентацию. Последующий нагрев пленки ниже температуры термофиксации сохраняет ориентацию и не приводит к термоусадке, то есть пленка сохраняет свои размеры. После поперечной ориентации в тентерной раме пленка охлаждается до комнатной температуры, кромки обрезаются, при необходимости выполняется активация. Готовая пленка наматывается в большие рулоны, которые затем режутся и перематываются на рулончики меньшей ширины и массы.
Кроме ориентации с помощью тентерной рамы, есть другие способы ориентации, например технология MDO или процессы Double/Triple Bubble. Последние заключаются в изготовлении пленки из ПЭ или ПП рукавным способом, однако расплав после выхода из кольцевого зазора фильеры не раздувается воздухом, а попадает в ванну с водой, где быстро охлаждается и переходит в твердое состояние. Диаметр полученного рукава равен диаметру фильеры. Вследствие быстрого охлаждения снижается кристалличность полимера. После охлаждения рукав снова нагревается до температуры размягчения и раздувается изнутри, как при изготовлении обычных рукавных пленок; таким образом выполняется ориентация в продольном и поперечном направлениях. После этого рукав снова складывается, и проходит этап термофиксации. Пленки, полученные этим способом, имеют более равномерные свойства по сравнению с пленкой, полученной на тентерной раме, но производительность таких линий ниже. По этой технологии можно производить барьерные и термоусадочные пленки.
Технология MDO позволяет получать и моноориентированные пленки. Для этого устанавливается дополнительный узел на линии производства рукавных пленок между намотчиком и складывающей рамой. Сложенный рукав проходит через систему валов. На первых валах происходит нагрев пленки до температуры размягчения. Далее пленка проходит через валы, вращающиеся с разной скоростью, где происходит ее ориентация. После этого ориентированная пленка проходит через валы, на которых происходит отжиг, или термофиксация. После термофиксации пленка охлаждается на валах охлаждения. Все это повышает ее прочностные, барьерные и оптические свойства.
Виды БОПП-пленок
БОПП-пленки имеют широкую область применения. Они используются для пищевой и непищевой упаковки, для производства этикеток и в технических сферах.
Благодаря ориентации, БОПП-пленки обладают отличными физико-механическими свойствами (высокой прочностью при растяжении и низким относительным удлинением) и оптическими свойствами, а также хорошей термостойкостью..
Посмотреть в журнале