Устройство для получения ионпроводящих мембран методом полива

Устройство для получения ионпроводящих мембран методом полива Огород

Полимерные пленочные материалы | упаковочное оборудование, запайщики, микродозаторы

Важнейшим достоинством полимеров является их способ­ность к пленкообразованию.

К полимерным пленкам относят листовой или рулонный материал, т. е. сплошные слои полимеров толщиной до 0,2- 0,3 мм и шириной более 100 мм. Узкие пленки называют лен­тами. Такое определение является достаточно формальным. Практически термин «пленки» установился для тонких лис­товых материалов такой толщины, при которой сохраняется их гибкость. Пленки характеризует малая толщина (и, следо­вательно, малая масса) при большой поверхности.

Пленки занимают как бы промежуточное положение между компактными твердыми телами и дисперсными системами. Отличительной особенностью пленок как сплошных тонких слоев вещества является определенное соотношение между массой и поверхностью. В отличие от твердых компактных тел пленки характеризуются большой поверхностью при относи­тельно малой массе и при этом поверхность пленки в отличие от дисперсий непрерывная, сплошная.

Способность полимеров к пленкообразованию — специфи­ческое отличие полимеров от низкомолекулярных веществ. Эта характерная особенность полимеров как материи обусловлена строением из молекул, а именно чрезвычайно большой их дли­ной, в тысячи раз превышающей поперечный размер. Анизот­ропией формы и гибкостью макромолекул полимеров обусловли­вается возможность возникновения в процессе пленкообразова- ния разнообразных структурных образований, предопределяю­щих комплекс физико-механических свойств пленок.

Гибкостью макромолекул обусловливается возможность су­ществования специфического для полимеров ориентированно­го состояния, не имеющего места в мире низкомолекулярных тел. Это состояние характеризуется расположением осей цеп­ных макромолекул вдоль одного направления или в одной плоскости, что приводит к анизотропии свойств материала, прежде всего механических.

Особенностью ориентированного состояния является то. что структура различных по химическому строению ориентирован­ных полимерных материалов оказывается однотипной и харак­теризуется наличием нитеподобных образований диаметром порядка 100-200 А, ориентированных в направлении действия силового поля. Характер ориентации макромолекул полимер­ных пленок при этом определяется внешним силовым полем и текстура ориентированной пленки может меняться от одноос­ной до плоскостной. В последнем случае оси всех макроцепей лежат в плоскости пленки, но преимущественного направления ориентации в плоскости пленки могут и не иметь.

Структурные особенности полимерных пленок определяются также специфическим состоянием их поверхностных слоев, име­ющих отличные от свойств полимеров в массе физико-механи­ческие свойства. И эти особенности предопределяются характе­ристическими размерами пленки, ее толщиной, при которой от­ношение площади поверхности пленки к ее объему очень велико.

Из общих термодинамических представлений следует, что поверхностные слои любого материала являются более плотны­ми вследствие нескомпенсированности сил взаимодействия молекул поверхностного слоя, наличия избыточной поверхност­ной энергии, поверхностного натяжения. Поэтому пленочные материалы характеризует целый ряд преимуществ перед одно­именными полимерами в толстом блочном состоянии. Пленки имеют более высокие физико-механические свойства. При практически одинаковой плотности они превосходят полимеры в блоке по разрушающему напряжению при растяжении на 60- 360%, по относительному удлинению при разрыве на 25-150% (табл. 4.9). Температура стеклования многих пленочных мате­риалов, например ароматических полиамидов и полиарилатов, выше, чем у одноименных полимеров в блоке.

Параметр

Полиамид 6

Полиэтилентерефталат

Литьевой

Гост

6-06-09-76

Пленки неори­ентированные ТУ 6-09-255-84

Литьевой ТУ 6-05-830-76

Пленка ГОСТ 24234-80

Плотность, г/см3

1,13

1.13

1,39

1,39

Разрушающее напряжение при растяжении, МПа

60

63-140 100

50-70 60

140-290 215

Относительное удлинение при разрыве, %

150-400

250-550

2-4

70-120

275

400

3

85

Модуль упру­гости, 103 МПа

1,2-1,5 1,35

3,5-4,5 4,0

Электрическая прочность, МВ/м

22

52-60 56

12-17 14,5

140-250 195

Параметр

Поликарбонат

Полиимид

Литьевой ТУ 6-05-901-73

Пленка Macrofol, тип N

Прессовочный ТУ 95-1449-86

Пленка ТУ 6-19-121-85

Плотность, г/см3

1,20

1,23

1,40

1,42

Разрушающее напряжение при растяжении, МПа

56-70

80-90

150-170

67

85

160

Относительное удлинение при разрыве, %

50-110 80

100-120 110

70-100 85

Модуль упру­гости, 103 МПа

2,2-2,4 2,3

2,0-3,0 2,5

Электрическая прочность, МВ/м

15,5-21,0 18

170

200-250 225

Примечание. В числителе дроби указан интервал значений параметра, в знаменателе — его среднее значение.

Полимерные пленки производят из природных, искусствен­Ных и синтетических полимеров.

К первой группе относятся пленки, изготовляемые из бел­ков, натурального каучука, целлюлозы и некоторых других Природных полимеров, наибольшее распространение в этой группе получили гидратцеллюлозные пленки, из них широко используется в упаковке целлофан.

Вторую группу составляют пленки из искусственных по­лимеров — продуктов химической модификации природных полимеров. Это пленки, полученные на основе простых и слож­ных эфиров целлюлозы: ацетата целлюлозы, ацетобутирата целлюлозы, ацетопропионата целлюлозы, нитрата целлюлозы и этилцеллюлозы. К этой группе относятся и пленки из нату­рального или синтетического изопренового каучука, предва­рительно подвергнутого гидрохлорированию, — гидрохлорид- каучуковые пленки.

Третью, самую обширную, группу составляют пленки из Синтетических полимеров, подавляющее их большинство — термопласты.

Основные виды полимерных пленок, применяемых в упако­вочной промышленности, приведены в табл. 4.10. Кроме ука­занных в таблице для упаковки применяется множество дру­гих пленок: ацетобутиратцеллюлозные, нитратцеллюлозные, хлорфторэтиленовые, этиленбутеновые, фторкарбонатные, по — лиуретановые, силиконовые, поливинилфторидные, полиэти — леноксидные, полиимидные и т. д.

При обозначении большинства пленок принята их маркиров­ка по толщине, измеряемой в миллиметрах или микрометрах.

В США принято измерять толщину пленок в милах:

1 мил = 0,001 дюйма = 25,4 мкм.

При маркировке используют номера в 100 раз больше — пленка № 200 имеет толщину 2 мила.

Целлофан обозначают иначе. В США — уменьшенной в 100 раз площадью пленки (дюйм2) весом в 1 фунт (1 дюйм = = 25,4 мм; 1 фунт = 453,6 г). Так, 1 фунт пленки площадью

22 ООО дюйм2 условно обозначают: целлофан-220. После цифр следуют буквенные обозначения различных качеств целло­фана, расшифровка которых приведена ниже.

Принятая в США буквенная маркировка целлофана

А или В…………………………………….. вид упаковки

С………………………………………………. окрашенный

D………………………………………………. производство Du Pont,

С пониженной влагонепроницаемостью

L……………………………………………….. средней влагонепроницаемости

М……………………………………………… влагонепроницаемый

О………………………………………………. одна сторона с покрытием

Р………………………………………………. гладкая поверхность

R………………………………………………. покрытие виниловое

S………………………………………………. способность к термопечати

Т………………………………………………. прозрачный

V, X или К………………………………… тип полимерного покрытия

W0…………………………………………….. белый непрозрачный

В Европе и Японии номер целлофана означает максималь­ный вес 1 м2 пленки в граммах, увеличенный в 10 раз. Напри­мер, 1 м2 целлофана № 300 весит 30 г.

От способа производства полимерных пленок зависят мно­гие их свойства, в особенности физико-механические, техно­логические, а также экономические показатели. Как правило, для каждого полимера оптимальным и наиболее часто приме­няемым на практике является какой-либо один метод получе­ния пленки, но в ряде случаев встречаются и различные мето­ды. Более того, и в одинаковых методах получения пленки мо­гут быть использованы различные дополнительные операции, оснащение и приспособления в зависимости от свойств поли­мера и специфических особенностей назначения продукции.

Существуют следующие промышленные методы изготовле­ния полимерных пленок: экструзия расплава полимера; полив раствора полимера или форполимера на полированную метал­лическую или другую поверхность (в некоторых случаях ра­створ полимера подают в осадительную ванну); полив диспер­сий полимера на полированную поверхность; каландрирова­ние; прессование; строгание заготовок.

Экструзией называют метод формования изделий или по­луфабрикатов неограниченной длины в экструдере продавли — ванием расплава полимера через формующую головку с кана­лами необходимого профиля.

Основным оборудованием для переработки пластмасс мето­дом экструзии являются экструдеры — шнековые машины, называемые также червячными прессами. Гранулированный полимер из загрузочного бункера с помощью вращающегося червячного шнека 4 (рис. 4.12) последовательно перемещается по технологическим зонам материального цилиндра. В зоне питания I происходит уплотнение и сжатие гранул, в зоне сжа­тия II — пластикация и частичное плавление, в зоне дозирова­ния III — окончательное плавление остатков твердого полиме­ра, гомогенизация, усреднение вязкости и температуры рас­плава. Необходимые температуры по зонам цилиндра обеспе-

Чиваются системами обогрева 3 и охлаждения 5, 6. Расплав полимера через фильтр 2, представляющий набор металличес­ких сеток, закрепленных в решетке, под остаточным давлени­ем р = 5,0-35 МПа продавливается через формующую головку 1, приобретая определенный профиль, и под очень небольшим избыточным давлением выходит из фильерной части головки.

Методом экструзии расплава полимера выпускают пленки двух типов — рукавные и плоские.

Рукавные пленки формуют спосо­бом раздува с помощью сжатого воз­духа цилиндрической заготовки, по­лученной экструзией расплава по­лимера через формующую кольце­вую головку, принципиальная схема которой приведена на рис. 4.13. Для обеспечения равномерности темпе­ратуры, давления, толщины и дру­гих параметров цилиндрической за-

_____________________ готовки применяют разнообразные

Конструкции кольцевых головок со сложной системой каналов подачи расплавленного полимера. Наиболее высокое качество пленок получают с использовани­ем вращающихся элементов головки.

Полимерные пленочные материалы

Изготовление рукавных пленок является непрерывным техно­логическим процессом. Расплав полимера выдавливается экст — рудером J 5 (рис. 4.14) через экструзионную головку 7 в виде ци­линдрической рукавной заготовки 8. Внутрь заготовки от возду­ходувки 13 через ресивер 14 и шланг 11 подается сжатый воздух под давлением р = 0,12-0,13 МПа, который раздувает заготовку до нужного размера. Рукав охлаждается воздухом, принудитель­но подаваемым через систему 9 с регулировочным вентилем 10 в специальные сопла в охлаждающем кольце б, и складывается с помощью направляющих щек 5. Тянущие валки 4 плотно зажи­мают заготовку и препятствуют утечке воздуха из внутренней по­лости рукава. В случае необходимости режущим приспособлени­ем 2 производится обрезка кромок рукава и его разделение на два плоских полотна пленки, которые разглаживаются направ­ляющим валком 3 и наматываются на приемные катушки 12.

Рис. 4.14. Схема установки получения рукавных пленок раздувом

Технология и оборудование для производства рукавных пле­нок относительно просты и получили широкое распростране­ние в изготовлении пленок ПЭ, ПП, ПВХ, ПВДХ, ПК, АЦ и др. К недостаткам этого способа относятся:

Низкая эффективность воздушного охлаждения, снижающая производительность и прозрачность (особенно ПП) пленок;

Неравномерная толщина пленок;

Склонность к складкообразованию пленок.

Плоские пленки получают методом экструзии расплава по­лимера через плоскощелевую формующую головку, принципи­альная схема которой показана на рис. 4.15. В зависимости от способа охлаждения заготовок различают два варианта этого метода: с охлаждением заготовки на охлаждающих барабанах и в водяных ваннах.

Полимерные пленочные материалы

Полимерные пленочные материалы

Расплав полимера

I Расплав * полимера

А — коллектор прямой (с постоянным сечением); б — коллектор скошенный (с уменьшающимся сечением);

1 — нож; 2 — коллектор

Схема производства плоских пленок экструзией через плос­кую щель с охлаждением на барабанах приведена на рис. 4.16. Расплав полимера из экструдера 1 выдавливается через плоскощелевую формующую головку 2 на охлаждающие бара­баны 4. Их охлаждение осуществляется водой, глицерином или термостойкими маслами. Под действием потока воздуха из специального коллектора 3, называемого воздушным ножом, пленка плотно прилегает к охлаждающим барабанам и равно­мерно охлаждается. Затем после прохождения системы роли­ков и обрезки кромок ножевым устройством 5 пленка наматы­вается на приемный барабан 6. Отрезанные продольные кромки могут наматываться на специальный барабан или не­посредственно подаваться на режущие устройства для получе­ния крошки, которая снова возвращается в производство.

Схема получения плоских пленок с охлаждением в воде пока­зана на рис. 4.17. Расплав полимера из плоскощелевой формую­щей головки экструдера 1 в виде плоской ленты поступает в ван-

Ну с холодной водой. Остывшая пленка осушается с помощью во — доснимателя 3 и посредством тянущих валков подается на режу­щее приспособление 4 для обрезки продольных кромок. Готовая пленка наматывается на барабан приемного устройства 5.

Расплав полимера

1 — формующая головка; 2 — волногаситель; 3 — водосниматель; 4 — нож; 5 — намоточный барабан

Пленки, охлажденные на барабанах, отличаются равномер­ностью физико-механических свойств и повышенной прозрач­ностью. Охлажденные в воде пленки характеризуют сильный блеск и большая жесткость.

Предпочтение плоским пленкам отдают в тех случаях, когда от упаковки требуются повышенная прозрачность, четкая маркировка и другая информация, а также высокие и ста­бильные прочностные свойства. При упаковке на автомати­ческих линиях удобнее использовать рукавные пленки.

на

Металлическую поверхность применяется для получения пле­нок из легко растворимых полимеров или форполимеров, кото­рые нестойки в расплавленном состоянии или разлагаются при нагревании ниже температуры плавления, например, ПВС, ПК, полиимиды.

Метод полива состоит из нескольких стадий: приготовление раствора полимера; полив раствора полимера на гладкую поли­рованную поверхность; отделение растворителя от полимера.

Стадия приготовления раствора полимера включает опера­ции растворения, фильтрования и деаэрации. Растворение осуществляют в емкостях с различными устройствами для пе­ремешивания и подогрева. Как правило, в смесители загружа — ют вместе с полимером и растворителем также пластифика­тор, стабилизатор, краситель и другие необходимые добавки. Концентрация растворов колеблется в пределах 10-35%. Для получения прозрачных пленок обычно используют смеси из нескольких растворителей. Очистку растворов от разнообраз­ных примесей проводят фильтрованием в фильтрах различ­ных конструкций с использованием сложных фильтрующих систем. Качество фильтрации во многом определяет качество получаемых пленок. Отделение раствора от воздушных вклю­чений осуществляют в деаэраторах, различных по конструк­ции и принципу действия.

Формование пленки происходит на стадии полива. В зави­симости от вида полированной поверхности подложки разли­чают методы полива на барабан, на бесконечную ленту, в оса- дительную ванну (мокрое формование).

Система нанесения раствора на движущуюся подложку должна обеспечивать формование равномерного по ширине и длине слоя пленки. Наиболее часто эти функции выполняет фильера с щелевым прямоугольным отверстием внизу, разме­ры которого могут регулироваться перемещением подвижной стенки 4 (рис. 4.18). Раствор, вытекающий из фильеры самоте­ком. равномерно распределяется по поверхности движущейся подложки ножом 6 с отшлифованной и полированной нижней кромкой. Толщина и равномерность слоя пленки зависят от зазора между подвижной 4 и неподвижной 5 стенками, рас­стояния между ножом 6 и подложкой 9, уровня раствора в ем­кости фильеры и скорости движения подложки. Для производ­ства тонких пленок фильера снабжается калибрующим вра­щающимся валиком 7. При нанесении высоковязких раство­ров форполимеров, например раствора полиамидокислоты в производстве полиимидных пленок, стенки фильеры могут иметь систему подогрева.

Формование пленок методом полива на барабан осуществ­ляют следующим образом. Приготовленный раствор полимера из питателя 2 подается в фильеру, откуда равномерным слоем наносится на вращающийся нагретый отливочный (сушиль­ный) барабан (рис. 4.19). Металлический барабан шириной 1,2-2,6 м и диаметром 1,5-5,4 м имеет гладкую полированную поверхность (не ниже 9-го класса чистоты), обогревается теп­лым воздухом, горячей водой или паром. Для облегчения съе­ма сформованной и подсушенной пленки на поверхность бара­бана наносят тонкое твердое антиадгезивное покрытие, на­пример раствор отверждающихся кремнийорганических со­единений. Высушенная на барабане пленка приобретает са­монесущую способность, становится формоустойчивой. При помощи съемного валка пленка отделяется от барабана и по­дается в сушильную камеру 3 для окончательной досушки, от-

Куда проходит через резальное устройство для обрезки кромок и поступает на намоточный станок 4. Испарившаяся парогазо­вая смесь растворителей из барабана и сушильной камеры конденсируется в конденсаторе и направляется в специаль­ный сборник.

Формование пленок методом полива на бесконечную ленту наибольшее применение нашло в производстве ТАЦ-пленок, технологическая схема которого приведена на рис. 4.20. При­готовленный в смесительном аппарате 2 раствор частично омыленного ТАЦ в смеси растворителей — метиленхлорида с метиловым или этиловым спиртом в соотношении 9:1, а также с пластификаторами (смесь фталатов с фосфатами 1-2,5%), стабилизаторами, красителями и прочими добавками, от­фильтрованный на многоступенчатых (2-4 ступени) фильтр — прессах 3, очищенный от воздушных включений в деаэраторе нагревания 4, подается в емкость фильеры 5, из которой ров­ным слоем наносится на поверхность движущейся непрерыв­ной ленты отливочной машины 6. Отливочная машина состо­ит из двух барабанов, на которые натянута бесконечная поли­
рованная лента шириной 0,7-1,4 м и длиной 28-86 м. Оба ба­рабана заключены в герметичный кожух, который образует вдоль бесконечной ленты сушильные каналы. В отливочной машине пленка высушивается до остаточного содержания ра­створителя 15-20%, затем с помощью съемного валка отделя­ется от подложки и через гидравлический затвор 7 подается в камеру досушки 8, где сушится нагретым воздухом при темпе­ратуре от 100°С в первой зоне до 125°С в последней зоне суш­ки. После этого пленка режется по ширине и наматывается в рулоны в приемном устройстве 9.

Методом полива в осадительную ванну (мокрым формова­нием) получают преимущественно целлофан. Вискозу из хра — нилища-танка 1 (рис. 4.21) насосом 2 через фильтр 3 равно­мерно подают в фильеру, нижняя часть которой на 20-25 мм погружена в осадительную ванну 4, где происходит формова­ние пленки вследствие охлаждения ксантогената целлюлозы и его омыления. Наибольшее распространение получил одно — ванный способ осаждения, когда оба процесса проводят одно­временно. Осадительная ванна в этом случае содержит 16% серной кислоты, 14-16% сульфата натрия и 68-70% воды. Длина щели фильеры должна быть больше заданной ширины готовой пленки, поскольку при формовании и последующей об­работке пленка усаживается на 40-45%. Формование оболочек

Вис — з

Для колбасных изделий осуществляют в фильерах с кольцевой щелью, при этом состав осадительной ванны подается допол­нительно через фильеру внутрь получаемых рукавных пленок. Из осадительной ванны пленка подается в регенерационную ванную 5 с 7-10%-ным водным раствором серной кислоты, где превращается в полностью регенерированную целлюлозную пленку. Затем пленка проходит через последовательно распо­ложенные емкости 6-12, в которых циркулируют различные растворы, и подвергается промывке, десульфурации, пласти­фикации. Иногда перед пластификацией пленку отбеливают и красят. Пластификатором обычно служит глицерин. В сушил­ке 13 пленку сушат на полых цилиндрах (сушильных бараба­нах), обогреваемых изнутри горячей водой. Снаружи пленка дополнительно обдувается горячим воздухом.

К достоинствам пленок, полученных методом полива ра­створа полимера, относятся равномерная толщина, повышен­ная прозрачность, отсутствие нерастворимых примесей, прак­тически полная изотропность свойств.

Недостатками метода являются низкая производитель­ность, трудность изготовления толстых пленок, пожароопас — ность применяемых органических растворителей, сложность их регенерации, что существенно повышает расходы на обору­дование и себестоимость выпускаемой пленки.

Метод полива дисперсии полимера на полированную поверхность по своей сути и аппаратурному оформлению мало отличается от метода полива раствора полимера. Глав­ным и принципиальным отличием является применение кол­лоидных систем (например, латексов), в которых дисперсион­ной средой служит вода, а дисперсной фазой — частицы поли­мера. Это обусловливает достоинства способа:

А) отпадает необходимость применения дорогостоящих, ток­сичных и огнеопасных растворителей;

Б) возникает возможность непосредственного использова­ния эмульсий и суспензий, полученных в результате эмуль­сионной и суспензионной полимеризации без промежуточ­ной операции выделения полимера.

Основным недостатком метода является сложность слипа­ния полимерных частиц в процессе высыхания дисперсии, что затрудняет получение структурно-однородных монолитных пленок.

Метод полива дисперсии полимера используют главным об­разом при получении пленок для санитарно-гигиенической упаковки изделий, а также для покрытий полимерных пленок, бумаги и тканей.

Каландровый метод получения пленок основан на прин­ципе непрерывного формирования пленок из расплава поли­мерного материала при последовательном его пропускании че­рез несколько зазоров (обычно два или три) между параллель­но расположенными и вращающимися навстречу друг другу полыми цилиндрами-валками, являющимися главной рабо­чей частью каландров.

Наиболее распространенные схемы расположения валков в каландрах для производства пленок приведены на рис. 4.22: трехвалковые вертикально в линию и четырехвалковые L-, Z — и S-образные.

Полимерные пленки каландровым методом изготовляют следующим образом. Предварительно тщательно перемешан­ная смесь мелко диспергированных компонентов (полимер, пластификатор, стабилизатор, краситель) подается на вальцы 1 (рис. 4.23), где подвергается пластификации. Пластифика­ция обеспечивает равномерный разогрев смеси до температу­ры переработки, растворение жидких и низкомолекулярных

Б

1 — вальцы; 2 — транспортерная лента; 3 — каландр; 4, 6 — охлаждающие барабаны; 5 — устройство для замера толщины и массы полимера; 7 — счетчик; 8 — ширительное устройство; 9 — тянущее устройство; 10 — прием но — намоточное устройство; 11 — пленка

Компонентов смеси, диспергирование частиц порошкообраз­ных компонентов, гомогенное (равномерное) распределение всех компонентов. Многие смесители-пластификаторы рабо­тают по принципу экструзионных машин, которые для усиле­ния диспергирующей способности снабжены различными до­полнительными устройствами. Пластифицированный поли­мер транспортером 2 непрерывно подается на каландры 3, где равномерно распределяется по длине первого межвалкового зазора, откуда подхватывается последующими валками и про­ходит через второй и третий межвалковые зазоры. Толщину пленки корректируют регулировкой последнего межвалкового зазора автоматически по сигналу бесконтактного измеритель­ного устройства 5, осуществляющего непрерывный контроль толщины. Отформованное в каландре пленочное полотно 11 поступает на охлаждающие барабаны 4, где осуществляются охлаждение и термическая стабилизация. Окончательное ох­лаждение осуществляется на барабанах 6, откуда пленка че­рез счетчик метража 7 и ширительное устройство 8 тянущим устройством 9 подается на приемно-намоточный барабан 10.

Пленка, полученная каландровым методом, обладает про­дольной ориентацией, которая обеспечивается за счет превы­шения линейной скорости отбора охлажденной на барабане 4 пленки над окружной скоростью последнего валка каландра на 30-100%. Поэтому прочность при растяжении в продольном направлении пленок на 10-20% выше прочности в поперечном
направлении. В области отбора от каландра с помощью допол­нительных вытяжных устройств удается растянуть пленку до 500% от ее первоначальной длины.

Каландровый метод получения пленок более дорогой, чем методы полива раствора и экструзия расплава полимеров.

Каландровым методом получают главным образом пленки и листы из ПВХ: так перерабатывается почти половина произво­димого во всем мире ПВХ, что объясняется наименьшей вероят­ностью тепловой деструкции полимера при каландрировании.

Строганием заготовок производят пленки главным обра­зом из ФП и целлулоида. Из этих полимеров первоначально прессуют цилиндрические заготовки. На специальных уста­новках их вращают вокруг своей оси и срезают профильным ножом пленочное полотно. Полученные толстые пленки раска­тывают в тонкие на особых прокатных станках.

Способы получения основных пленок, применяемых в упа­ковке, приведены в табл. 4.11.

Теоретически во всех случаях аморфной или кристалличес­кой структуры полимеров их макромолекулы должны быть термодинамически равновесны и находиться в наиболее вы­годном положении.

Для аморфных полимеров это рыхлый клубок, размер кото­рого тем больше, чем больше молекулярная масса и чем более жесткой является макромолекула. Жесткая полярная макро­молекула характеризуется большими размерами элементар­ного звена — сегмента, в ней при общей заданной длине (мо­лекулярной массе) число сегментов меньше, чем в гибкой не­полярной молекуле с короткими сегментами. Макромолеку — лярные клубки переплетаются, образуют своеобразную про­странственную сетку. Узлами этой сетки являются либо зацеп­ления, переплетения макромолекул, либо области ближнего порядка, где сегменты соседних макромолекул плотно приле­гают друг к другу и удерживаются силами межмолекулярного взаимодействия.

Таблица 4.11

Способы производства полимерных пленок (ПВ — промышленный выпуск, В — возможный способ получения, Н — неприменимый для данного полимера способ)

У кристаллических полимеров наиболее выгодная и часто встречающаяся форма кристаллов — сферолитная. Сфероли — ты представляют собой сферически-симметричное полукрис­таллическое образование, состоящее из большого числа от­дельных кристаллов. При свободном росте они принимают форму шара. Молекулярные цепи в них уложены почти перпен­дикулярно радиусу. Внутри сферолитов имеются области как с упорядоченной, так и с аморфной структурой. Одна макромо­лекула может проходить через несколько кристаллов, связы­вая их между собой (так называемые проходные макромолеку­лы). Между отдельными кристаллами или кристаллическими областями существуют аморфные зоны с рассмотренной выше пространственной сеткой и узлами.

Ориентацией называют процесс вытяжки и упорядоченно­го расположения цепей макромолекул полимеров под воздей­ствием силового и теплового полей.

Благоприятные условия для образования ориентированных структур макроцепей создаются в случае, если подвижность их сегментов достаточна для ориентации, а большинство уз­лов зацеплений не будет разрушено. Если подвижность сег­ментов очень велика, а скорость деформирования мала, то распрямляемые цепи будут выходить из зацеплений с соседя­ми и дезориентироваться (см. рис. 4.24, в, г).

При ориентации кристаллического полимера происходит разрушение сферолитов с рекристаллизацией — образованием ориентированной фибриллярной структуры (рис. 4.24, б). Фиб­риллу можно представить в виде длинной нити образований надмолекулярного уровня с чередующимися кристаллически­ми и аморфными участками. Кристаллиты занимают 60-80% длины фибриллы.

В зависимости от степени совершенства ориентации мак­ромолекул в образующейся структуре полимера образцы из него будут иметь различные физико-механические характе­ристики. При увеличении степени ориентации значительно возрастает прочность полимеров (рис. 4.25).

Различают одноосную и двухосную ориентацию. Одноосно- ориентированный полимер имеет высокие механические ха­рактеристики в направлении ориентации и пониженные в по-

Перечном направлении. При двухосной ориентации возникает плоскостно-ориентированная структура расположения макро­молекул, способствующая изотропии свойств полимера в плос­кости ориентации.

На практике ориентацию осуществляют методом вытяжки с нагревом — деформированием пленок в одном или двух на­правлениях.

Нагрев аморфных полимеров осуществляют до температуры Та, эмпирически определяемой из неравенства

Для кристаллических полимеров температура нагрева Тк

Одноосную ориентацию проводят методом одноосной вы­тяжки. Различают непрерывную одноосную вытяжку растяже­нием предварительно сформованных заготовок пленки при по мощи тянущих или сдавливающих валков, а также периодичес­кую — с помощью специальных зажимов — клуппов (рис. 4.26).

I

4

7-Т I I

I I

I I

I X I

X

Рис. 4.26. Устройство клуппа: 1 — отверстие для крепления к движущейся цепи; 2 — корпус; 3 — упор-толкатель поворота язычка; 4 — язычок; 5 — вал; 6 — растягиваемая зажатая пленка; Р — сила сопротивления растяжению пленки (А-позиции язычка до зажатия пленки, Б — после)

Двухосную ориентацию осуществляют методом двухосной вытяжки. Двухосную вытяжку подразделяют на последователь­ную, или раздельную, и одновременную. При последователь­ной, или раздельной, двухосной вытяжке одноосно ориентиро­ванную пленку еще раз растягивают в перпендикулярном на­правлении. В случае одновременной двухосной вытяжки изот­ропную неориентированную плоскую пленку растягивают од­новременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях, а рукавную пленку растягивают и раздувают одновременно.

Технологическая схема производства ориентированных пленок приведена на рис. 4.27. Полученная методом экстру­зии расплава полимера через плоскощелевую формующую го­ловку широкая пленка 6 проходит вблизи электрода высокого напряжения 7, приобретая электрический заряд, противопо­ложный заряду поверхности охлаждающего барабана 8, плот­но прижимается электростатическими силами к его поверхно­сти и охлаждается. Охлажденная пленка 9 поступает в агрегат одноосной (продольной) ориентированной вытяжки 12 с ли­нейной скоростью ult где валками 10 удерживается от возмож­ного проскальзывания, а нагревательными валками 11 в зоне предварительного подогрева I разогревается. В промежутке между двумя ориентирующими валками 13 пленка дополни­тельно разогревается нагревателем 14 до температуры Та или Тк и растягивается за счет того, что линейная скорость v2 ох­лаждаемых валков 15 выше, чем Uj. Охлажденная одноосно- ориентированная пленка J 7 прижимными валками 16 транс­портируется из агрегата 12 и может поступать либо на намо­точное устройство и отгружаться на реализацию, либо на пос­ледовательную двухосную ориентацию.

Пленки из кристаллических полимеров после ориентации проходят стадию термофиксации. Для этого на дополнитель­ных валах осуществляют интенсивный быстрый прогрев плен­ки для ускорения кристаллизации с сохранением ориентиро­ванной структуры. Такие ориентированные и термофиксиро — ванные пленки обладают пониженной усадкой.

В случае последовательной двухосной ориентации одноос — но-ориентированная пленка 17 через компенсатор 18, в кото­ром сглаживаются возможные колебания скорости подачи

11 — нагревательные, медленно вращающиеся валки;

12 — агрегат для продольной (одноосной) ориентации;

13 — ориентирующие валки; 14 — нагреватель; 15 — быстровращающиеся охлаждаемые валки; 17 — одноосно-ориентированная пленка; 18 — компенсатор; 19 а — агрегат для поперечной (двухосной) ориентации; 19 6 — агрегат одновременной двухосной ориентации; 20 — клуппы (зажимы); 21 — движущаяся непрерывная цепь; 22 — кромка обрезанной пленки; 23 — устройство для намотки пленки. Зоны: I — подогрева; II — одноосной ориентации; III — охлаждения с релаксацией; IV— подогрева; V— ориентации; VI — термофиксации; VII — охлаждения; Х1 — степень вытяжки подлине, Х2 — по ширине пленки

20 ив зоне

/V предварительно нагревается, в последующей зоне Vдопол­нительно разогревается до температуры Та или Тк и одновре­менно растягивается по ширине. После зоны Удвухосно-ори — ентированная пленка из аморфных полимеров охлаждается на открытом воздухе в зоне VI, а из кристаллизующихся по­лимеров поступает в зону термофиксации, где происходит кристаллизация. После охлаждения в зоне VII на выходе из агрегата 19а края пленки 22, освобожденные от клуппов, об­резаются и в виде отходов идут на переработку. Оставшаяся плоская двухосно-ориентированная пленка с минимальной разнотолщинностью наматывается на барабан намоточного устройства 23.

Агрегат 196 для одновременной двухосной ориентации пленок имеет более сложную конструкцию. Изотропная пленка 9 поступает в зону предварительного нагрева IV. За­тем в зоне V она разогревается до температуры Та или Тк и одновременно вытягивается по ширине за счет движения зажимов по направляющим и по длине за счет увеличения расстояния между соседними зажимами. В этом случае за­жимы вытягивают пленку в двух направлениях. Остальные операции аналогичны операциям последовательной двухос­ной ориентации.

Ориентация рукавной экструзионной пленки осуществля­ется непрерывно по мере ее экструзии. Для этого после получе­ния сложенного рукава пленка вновь разогревается и либо последовательно раздувается и растягивается, либо это проис­ходит одновременно. Наиболее распространен способ последо­вательной ориентации.

Степень вытяжки при ориентации определяют величиной относительного удлинения еор:

Где {q — исходная длина образца; ^ — длина образца после вы­тяжки.

Часто степень вытяжки определяют значением кратности вытяжки А. Для случая продольной вытяжки:

_ v _ гк _ e. ,

При двухосной ориентации значение поперечной вытяжки Х2 рассчитывают как отношение ширины полотна после попе­речной ориентации к исходной ширине.

Относительная скорость деформирования vop связана с размерами рабочего участка вытягиваемого образца, степе­нью вытяжки и временем деформирования £

£ /. ор

0p = ~f =

/

• — = (42-1)— (4.64)

В зависимости от типа полимера, способа вытяжки, конст­руктивных особенностей оборудования существуют предельно допустимые значения Л1р, выше которых пленки разрушают­ся, и оптимальные, рекомендуемые значения Х1 одноосной вы­тяжки для последующей двухосной, а также степеней вытяж­ки при одновременной двухосной ориентации при = Х2 (табл. 4.12). Поскольку в случае одновременной двухосной ориента­ции деформирование происходит в обоих направлениях, то и

Таблица 4.12

Предельные (разрывные) значения Х1р и рекомендуемые значения степеней одноосной вытяжки ^ для последующей двухосной, а также для одновременной двухосной вытяжки Х1 = Х2 различных полимерных пленов

Полимер

Ч

Л, = л2

Пэвп

15-17

5-7

5

ПЭНП

14-16

7-8

ПП

13-17

6-8

6

ПЭТФ

6-7

4

4,5

ПС

4-6

3

3,5

П

5-6

3,5-4

3,5

Пм

3,5-4

1,5-2

1,5

ПММА

2.2-2,5

1,8-2

1,5

Таблица 4.13

Влияние ориентации на физико-механические свойства полимерных пленок

Уровень ориентации цепей достигается быстрее, т. е. при мень­шей величине = ^ чем при одноосной ориентации.

Применительно к упаковке ориентация полимерных пленок решает две важнейшие задачи:

1) значительное повышение эксплуатационных свойств;

2) создание термоусадочных пленочных материалов.

В результате двухосной ориентации прочность пленок по­вышается в 3-4 раза, при одноосной — более чем в 10 раз (табл. 4.13), возрастает морозостойкость. Так, морозостой­кость двухосно-ориентированной ПП-пленки составляет от -40°С до -60°С, а неориентированной — от ~15°С до -25°С. У ориентированных пленок на 3-50% снижается паро-, водо — и газопроницаемость, повышается стойкость к термоокисли­тельному старению.

Оцените статью
Дачный мир
Добавить комментарий