Получение плоских пленок с охлаждением

Содержание

Введение

1. Технологический  раздел

   1.1. Состояние вопроса  в области получения упаковочной  пленки для пищевых продуктов

   1.2.  Производство  плоских пленок с охлаждением  на валках

   1.3.  Характеристика  сырья и методы его испытания

1.3.1. Выбор сырья для  производства упаковочной пленки

1.3.2. Физические свойства  пленок

1.3.3. Виды брака, его причины, способы его устранения 

   1.4. Обоснование выбора  оборудования

   1.5. Характеристика  готовой продукции

Литература

Введение

В настоящее время отечественная промышленность производит практически все виды химической продукции, известные в мировой практике. Трудно назвать отрасль, где бы, не использовалась химическая продукция, в том числе изделия из пластмасс.

С полным правом можно утверждать, что современная промышленность полимерных материалов является одной из основных отраслей, которая определяет научно- технический прогресс, общую эффективность общественного производства.

Широкое применение изделий из пластмасс во многих отраслях обусловлено тем, что эти материалы обладают высокой механической прочностью, небольшой плотностью, химической стойкостью ко многим агрессивным средам, влагостойкостью, высокими электроизоляционными свойствами.

Одним из наиболее развитых и распространенных методов переработки полимерных материалов является экструзионный метод.

В мировом производстве изделий из полимерных материалов основной постоянно возрастающий объем составляют пленки. По объему производства первое место составляют полиолефиновые, а второе - поливинилхлоридные пленки.

Производство полиэтиленовой (ПЭ) пленки состоит из одного технологического потока и осуществляется на агрегатах для получения пленки производства завода "Большевик", г. Киев; или других фирм занимающихся разработкой и выпуском оборудования для переработки полимеров.

Рост производства и потребления полимерных пленок обусловлен высокой эффективностью их применения, сочетанием технологических и рабочих свойств, дешевизной и лучшими эксплуатационными характеристиками по сравнению с традиционными материалами.

В настоящее время промышленностью освоены способы производства полимерных пленок шириной до 24м и толщиной от 3 до 500мкм. Полимерные пленки изготавливают из природных, искуственных и синтетических полимеров. Наиболее обширную группу составляют полимерные пленки из пластических масс на основе синтетических полимеров.

Сфера применения выпускаемой пленки очень широкая:

- для упаковки  и хранения пищевых продуктов;

- производство пленок для теплиц;

- производство  кульков и пакетов;

-выпуск обложек, папок и других изделий.

Около 75 % ПЭ пленки используется для упаковки. Пленки из ПЭВД совмещают хорошие упаковочные характеристики и обладают высокой прозрачностью и благодаря этому и достаточно низкой цены на них, занимают в этой области господствующее положение. Они характеризуются незначительной влагопроницаемостью, прозрачностью при низких температурах, легкостью сварки. С целью повышения прочностных характеристик пленки при сохранении гибкости начали производить 2-х, 3-х и более многослойные пленки из ПЭ, ПП, алюминиевой фольги.

Всемирное производство полимерных пленочных материалов все растет, что объясняет расширение отраслей их применения. Среди пленочных материалов значительное место отводится пленкам, которые получают из полиолефина. Это связано с доступностью сырья и относительно легкими технологиями их получения, а также экономической выгодностью. Пленочные материалы из полиолефина нашли широкое применение в таре, упаковке, строительстве, легкой промышленности, сельском хозяйстве и машиностроении. Существует несколько способов получения однослойной полимерной пленки из полиолефина, в том числе заслуживает внимания способ получения рукавных пленок методом экструзии с раздувом, изготовление плоских пленок с охлаждением на валках, изготовление плоских пленок в водяную ванну, изготовление ориентированных пленок.

Пленками - называют плоские полимерные полотна толщиной от 0,005 до 0,5мм. Большое значение уделяется производству однослойных полиэтиленовых пленок, сельскохозяйственного назначения, для покрытия парников. В этом случае используют полиэтилен высокой плотности с многообразными примесями, которые позволяют увеличить срок использования пленки и увеличить светопроницаемость.

Метод производства пленки определяется химической природой полимера и назначениям готовой пленки. На данное время можно выделить четыре группы методов изготовления пленки из полимера: экструзия, каландрирование, производство комбинированных пленок, физико-химическая модификация пленок.

Физическая сущность методов экструзии и каландрирования заключается в формировании из расплава полимера заготовок с последующей их деформацией к заданным размерам пленки и фиксации их охлаждением.

Методом экструзии переделывают в пленки полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и другие полимеры, преимущественно в виде гомогенных материалов, реже наполненных газами или минеральными порошками. Различают метод экструзии через головки плоскощелевую (плоская пленка) и кольцевую (рукавная пленка).

1. 1.1. Состояние вопроса в области получения упаковочной пленки для пищевых продуктов

Разнообразие видов пленок определяется разнообразием методов их производства. Основной объем пленок, которые изготовляются в мире, приходится на пленки из расплавов пластичных масс, основу которых составляют полимеры, которые при нагревании имеют свойство переходить в вязко-текучее или высокоэластическое состояние, не подлежа при этом термической деструкции.

Метод производства пленки определяется химической природой полимера и назначениям готовой пленки. На данное время можно выделить четыре группы методов изготовления пленки из полимера: экструзия, каландрирование, производство комбинированных пленок, физико-химическая модификация пленок.

Физическая сущность методов экструзии и каландрирования заключается в формировании из расплава полимера заготовок с последующей их деформацией к заданным размерам пленки и фиксации их охлаждением.

Методом экструзии переделывают в пленки полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид и другие полимеры, преимущественно в виде гомогенных материалов, реже наполненных газами или минеральными порошками. Различают метод экструзии через головки плоскощелевую (плоская пленка)  и кольцевую (рукавная пленка).

Экструзийный метод получения пленок в настоящее время является самым простым, высокопродуктивным и экономическом среди способов получения полимерных пленок из расплава. Именно этим методом получают пленки с ПЕВТ и ПЕСТ; ПЕНТ, ПП. Другие полимеры для получения плоских пленок используются редко.

Агрегат для получения плоских пленок состоит из экструдера и приемно-намоточной машины. Отечественной промышленностью выпускаются экструзийные агрегаты ЛРП на базе серийных экструдеров с диаметром червяка 45-160мм L/D=20-25, производительностью от 60 до 550 кг/г пленки из полиолефина. Приемно-намоточная машина включает у себя устройство для охлаждения пленки, приспособления для обрезания кромок пленки, разглаживающих валков, тянущие  валки, намоточное устройство.

Экструзийные агрегаты могут быть скомпонованы за двумя схемами: с охлаждением на валках и с охлаждением в водяной ванне.

Для подготовки расплава при изготовлении плоских и других экструзийных пленок можно использовать такие виды экструдеров: червячные прессы, дисковые экструдеры комбинированные червячно-дисковые и дисково-червячные экструдеры, каскадные экструдеры.

1.2 Производство  плоских пленок с охлаждением  на валках

          Получение плоских пленок экструзией  через плоскощелевую головку с охлаждением заготовки на валках (или поливом на холодный барабан) наряду с отмеченными выше недостатками имеет ряд достоинств и преимуществ перед экструзионно-раздувным методом. К числу преимуществ относятся: высокая прозрачность; отсутствие опасности склеивания пленок вследствие более интенсивного охлаждения; удобство контроля толщины пленок; упрощение намотки, способствующее получению пленок без складок; меньшая высота производственного помещения; возможность наносить пленочное полотно на различные подложки непосредственно после его получения без дополнительного нагрева. К сожалению, несмотря на облегчение контроля толщины пленок, регулирование их толщины сопряжено с трудностями. Показатели механических свойств плоских пленок обычно несколько ниже, чем экструзионно-раздувных. Механические свойства могут быть улучшены дополнительной ориентацией пленки в двух направлениях.

Для получения плоской пленки с охлаждением на валках может быть использована установка, изображенная на рис 1. Расплав из экструдера 9, профильтрованный через пакет сит, попадает в плоскощелевую головку 8. Питание головки осуществляют боковой или центральной подачей расплава из экструдера. Для получения высококачественной пленки необходимо добиваться определенного распределения температуры расплава в головке. Заданное значение толщины пленки достигается благодаря высокой жесткости корпуса и формующих губок головки.

Расплав из плоскощелевой головки попадает на хромированные и тщательно отполированные валки 7, охлаждаемые водой. Здесь происходит быстрое затвердевание пленки.

После охлаждения на валках 7 пленка проходит через устройство для обрезания кромок 6, системы направляющих валков 5, включающей прибор 4 для автоматического измерения и записи толщины пленки. Требуемая толщина пленки достигается обычно не за счет изменения щелевого зазора головки (который редко бывает менее 0,5 мм), а путем вытяжки и ориентации пленочного полотна в продольном и поперечном направлениях. Прозрачные пленки получаются при толщине, не превышающей, например, для ПЭВП 5—6 мкм. Далее пленка поступает на разглаживающие валки 3, тянущие валки 2 и намотчик 1.

Рис. 1. Схема процесса получения пленок плоскощелевой экструзией с охлаждением на валках.

1.3. Характеристика  сырья и методы его испытания

ис. 4.26.    Плоскощелевая    головка

для изготовления плоских пленок: I — червяк; 2 — фланец корпуса; 3 — головка экструдера;  4 — расплав полимера;  5 — регулировочные винты; 6 — подвижная ще-ка; 7 — неподвижная щека.

Полиэтилен выпускают без примесей – базовые марки и в виде композиций на их основе. Полиэтилен должен выпускаться в виде гранул с одинаковой геометрической формой, в пределах одной партии размер их в любом направлении должен быть 2 - 5мм. Цвет окрашенного полиэтилена должен отвечать образцу цвета, утвержденному в обязательном порядке.

Хранят полиэтилен в закрытом помещении, где исключено попадание солнечных лучей и расположен на расстоянии не меньше 1м от нагревательных приборов.

Для изготовления всех марок пленки допускается использовать композиции со скользящими, антистатическими и модифицирующими добавками. Пленка выпускается намотанной в рулоны и в виде рукава, полу-рукава и полотна.

Пленка всех марок делится на высший и первый сорта в зависимости от отклонений по толщине, а пленку марок СК и СТ, Н и Т дополнительно – в зависимости от физико-механических показателей. Пленка высшего сорта отвечает высшей категории качества; пленка первого сорта – первые категории качеств. Пленку для упаковки пищевых продуктов изготовляют из базовых марок ПЕ, рецептур, добавок по ДЕСТ 16337-77, что разрешены Министерством здравоохранения Украины.

Условное обозначение пленки состоит из названия материала пленка полиэтиленовая марки, вид примесей (п – пигмент или краситель, с- стабилизатор, т – скользя добавка, а – Антистатическая, ф – модифицирующая), вид пленки (рукав, полу-рукава, полотно), толщина и ширина в мм, сорт и обозначение действительного стандарта. Условное обозначение пленки, что допускается к контакту с пищевыми продуктами, дополняется словом “пищевая”.

На данном оборудовании используется полиэтилен марки 15303-020 и 15802-020 согласно ГОСТ 16337-77.

Спектр релаксации .позволяет предсказать технологические параметры переработки, при которых необходимо получать изделия, обладающие как можно малыми усадочными явлениями;

В экспериментах, проведенных в динамическом режиме, при исследовании влияния боковых ответвлений и их размеров на реологические свойства расплавов полиолефинов (линейный полиэтилен, полипропилен, полибутилен-1, полигексен-1, полиок-тен-1 и полиоктадецен-1) найдено, что у образцов с одинаковой вязкостью с увеличением длины боковых ответвлений частотная зависимость вязкости η' (при малых частотах) повышается, а модуль σ' уменьшается. У образцов с одинаковой среднечисловой молекулярной массой наблюдается противоположная тенденция в частотной зависимости σ' и η' с изменением боковых цепей. Время релаксации, определяемое как обратная величина частоты в точке пересечения частотных зависимостей σ' и η', возрастает с ростом длины боковых цепей при условии η' = const, ω → 0 и уменьшается при условии Мn= соnst. Реологические характеристики получали с помощью ротационного вискозиметра, работающего в статическом и динамическом режимах деформирования. Диапазон использованных частот ω= 0,016⁄  16,5 рад/с, скоростей сдвига γ =0,012-:- 1,6 с-1 и температур 403—503 К. Оценку деструкции производили по характеристической вязкости до и после эксперимента.

Исследования полиэтилена 15802-020 на ряде типоразмеров червячных прессов, показывают, что для серийно выпускаемых червячных прессов оптимальные режимы переработки необходимо выбирать с учетом изменения молекулярных, реологических и физико-механических характеристик в производстве пленочных материалов при значительном повышении числа оборотов червяка и неизменных численных значениях указанных характеристик.

Так, при переработке полиэтилена 15802-020 в пленку при 0,17—2,5 об/с и температуре 453 К на червячном прессе ЧП 63x30 численные значения молекулярных и прочностных характеристик не выходили за пределы ошибки опыта. Из рис. 2 видно, что в этом случае показатель текучести расплава практически не изменяется, т. е. сохраняется оптимальная температура расплава и наступает равновесие между деструкцией и структурированием полимерной системы. В одинаковых условиях (геометрия червяка и режимы переработки) ММР унифицируется для разных исходных значений Мω ⁄ Мn материала одной природы.

Изменение молекулярных свойств полиэтилена в зависимости от режимов переработки на червячных прессах показано на рисунке 2. Температурно-временные факторы, как и напряжения сдвига, оказывают влияние на изменение молекулярных характеристик полиэтилена. В этом случае имеется в виду термомеханическая деструкция.

Рис.2. Изменение показателя текучести расплава ПЭ 15802-020 в зависимости от числа оборотов червяка червячного пресса ЧП 63х30

1- Т=446°К; 2- Т=461°К; 3- Т=453°К

1.3.1. Выбор сырья для производства  упаковочной пленки

При создании производства плёночных материалов важное значение имеет выбор сырья, т.е. типа полимера на основе его молекулярных характеристик. Плёнкообразующая способность полимера в большей степени зависит от реологических свойств расплава, которые определяют не только оптимальный режим переработки, но и саму возможность получения изделия с требуемыми свойствами.

Упаковочные плёнки могут быть изготовлены из многих кристаллизующихся термопластов, в том числе из полиэтилена низкой и высокой плотности, полипропилена, сополимеров этилена с винилацетатом, поливинилхлорида, сополимеров винилиденхлорида и винилхлорида, полистирола, гидрохлорида каучука. Физико-механические и эксплуатационные свойства плёнок обусловленных химической природой применяемого полимера, а также степенью его ориентации.

Среди термопластичных материалов, применяемых для изготовления упаковочных плёнок, наибольшее распространение получил полиэтилен(ПЭ). Плёнки на его основе имеют удовлетворительную механическую прочность в интервале температур от -50 до + 50°С, мягки и эластичны, легко свариваются, инертны по отношению к большинству упаковываемых веществ, влагонепроницаемы.

В тех случаях, когда стоимость упаковки играет роль, плёнки на основе полиэтилена низко    плотности   (ПЭНП)   наиболее   подходящие.   В данном случае выбран ПЭ базовой марки 15802- 020 для производства упаковочной пищевой плёнки.

При переработке ПЕ и других полимеров важным фактором является стабилизация оптимальной температуры расплав: она не должна превышать температурные границы деструкции полимера в данном поле напряжений и при определенном времени его пребывания.

Исследование полиэтилена 15802-20 на ряду типоразмеров червячных прессов, показывает, что для серийно выпускаемых червячных прессов оптимальные режимы переработки необходимо выбирать с учетом молекулярных, реологических и физико-механических характеристик в производстве пленочных материалов при значительном увеличении числа оборотов червяка и неизменных многочисленных значениях указанных характеристик.

рис. 4.26.    Плоскощелевая    головка

для изготовления плоских пленок: I — червяк; 2 — фланец корпуса; 3 — головка экструдера;  4 — расплав полимера;  5 — регулировочные винты; 6 — подвижная ще-ка; 7 — неподвижная щека.

рис. 4.26.    Плоскощелевая    головка

для изготовления плоских пленок: I — червяк; 2 — фланец корпуса; 3 — головка экструдера;  4 — расплав полимера;  5 — регулировочные винты; 6 — подвижная ще-ка; 7 — неподвижная щека.

1.3.2. Физические  свойства пленок

Существует определенная зависимость между структурой пластмасс и их проницаемостью. Проницаемость зависит также от физических и фазовых состояний полимера и от степени ориентации макромолекул или их частей. Кроме того, диффузионная проницаемость в значительной мере определяется температурой, давлением и концентрацией диффундирующего агента. Следует учитывать, что механизмы проницаемости для таких многофазных систем, как пластические массы, могут быть отличными от механизмов проницаемости для индивидуальных полимеров. Наложение на пластические массы силовых полей также может существенно изменять характеристики проницаемости. В силу этого при прогнозировании проницаемости пластических масс необходимо принимать во внимание структуру, состояние пластмасс, влияние внешних условий и рецептурный состав материала.            Рассматриваемый процесс может протекать по различным механизмам. В настоящее время считают, что перенос газов (сюда следует отнести влагу, а также пары и газы, обусловливающие запах продукта) через однородные непористые мембраны из пластических масс осуществляется по диффузионному механизму.

      Газопроницаемость важнейших полимерных пленок показана в табл.1, из которой видно, что целлофан, пленки из полиэфиров и поливинилиден-хлорида   имеют   низкую газопроницаемость, в то время как пленки из полиолефинов — довольно    высокую.    Газопроницаемость заметно изменяется в зависимости от температуры, а для   некоторых   пленок   и   от влажности.

Влияние влажности на газопроницаемость полимерных пленок. Таблица 1.

Таблица 1

Проницаемость полимерных пленок по отношению к ультрафиолетовым лучам. Под действием ультрафиолетового облучения портятся многие виды пищевых продуктов, особенно жиры, обесцвечиваются ткани и пряжа, деструктируют изделия из каучука. Поэтому важное значение приобретают упакованные материалы, не пропускающие ультрафиолетовых лучей.

Газопроницаемость  важнейших полимерных пленок. Таблица 2.

Давление 1 ат, температура 23° С, относительная влажность 0 %.

Таблица 2

Благодаря незначительной влагопроницаемости, прочности при низких температурах и легкости сварки 85% всей производимой полиэтиленовой пленки используется в качестве упаковочного материала. При этом на упаковку пищевых продуктов приходится 34, промышленных изделий 12, крупногабаритных товаров 8, пряжи 7%. 15% остальной пленки идет на нужды сельского хозяйства и другие цели.

Основное количество полиэтиленовой пленки (более 85%) выпускается в виде рукавной пленки, получаемой экструзией через кольцевой зазор, и лишь 15% в виде полотна.

Влияние температуры на влагопроницаемость( г⁄м2∙мм∙ч) различных пленок. Таблица 3.

Таблица 3.