В зависимости от вида используемого полимера и назначения пленки различают следующие технологии получения пленок:
Для однослойных пленок:
· экструзия через плоскощелевую головку;
· каландрирование;
· отлив из растворов.
Для многослойных и комбинированных пленок:
· сoэкструзия;
· каширование;
· ламинирование;
· металлизация.
3.1 Экструзия через плоскощелевую головку
Рисунок 7 - Экструзия через плоскощелевую головку
1 - экструдер, 2 - плоскощелевая головка, 3 - система охлаждения пленки, 4 - намотчик.
Краткое описание процесса: расплавленная и гомогенизированная полимерная композиция, из экструдера, через специальный сетчатый фильтр, поступает в плоско-щелевую головку, образующаяся из которой пленка подается на охлаждающее устройство, затем в тянущее устройство, потом обрезается и наматывается (Рисунок 8).
Рисунок 8 - Основные узлы экструдера
По методу охлаждения различают следующие способы получения пленок: охлаждение на металлических барабанах воздушно-контактным способом (барабаны охлаждаются оборотной водой от промышленного водяного холодильника (чиллера)); охлаждение в ванне с водой.
Если пленка получена быстрым охлаждением, она отличается такими положительными свойствами, как, высокая прозрачность и отличный глянец, повышенная жесткость, прочность.
В качестве сырья используют ПЭ, ПП, ЭВА, ПА, ПВХ, ПЭТФ, ПММА, ПС, ТПУ, и др.
Линии комплектуются системами подачи сырья, контроля толщины плёнки, системами обрезки и последующей утилизации кромок с грануляцией и возвратом в цикл производства.
К достоинствам данного метода можно отнести высокую скорость процесса, к недостаткам - ограничение по ширине пленки (выпуск пленки шириной более 1500 мм технически сложен и значительно увеличивает стоимость оборудования).
При использовании данной технологии могут выпускаться однослойные пленки, дублированные пленки. Также, применяя специальные технологии, получают двуосноориентировынные пленки.
3.2 Метод каландрирования
Чаще всего применяется для производства пленки из жесткого и мягкого ПВХ, также используется для дублирования или выглаживания пленки.
Каландрование - это непрерывное получение пленки из расплава полимера формованием в зазорах между вращающимися валами каландра.
Рисунок 8 - Каландирование
1 - смеситель, 2 - экструдер, 3 - вальцы, 4 - каландр, 5 - отрезное и тянущее устройство, 6 - намотчик.
Краткое описание процесса: все компоненты полимерной композиции, для получения их гомогенной смеси, загружают в смеситель, обычно двухстадийный с горячей и холодной камерами, либо одностадийный высокоскоростной.
Полученная смесь далее подается в роторный смеситель или планетарный экструдер, в котором происходит ее разогрев и переход в состояние вязкой текучести. Чтобы удалить газообразные примеси и завершить процесс пластикации смесь поступает на вальцы.
Для тонких плёнок и листов осуществляют дополнительную фильтрацию массы, чтобы удалить механические примеси.
Далее, полностью подготовленная пластифицированная смесь поступает в зазор между валами каландра и происходит формирование пленочного полотна (Рисунок 9).
Рисунок 9 - Принцип работы каладра
Для обеспечения требуемой толщины, разнотолщинности и гладкой поверхности пленки, полимер последовательно пропускают через несколько зазоров (хорошее качество обеспечивают три и более зазоров, поэтому используются многовалковые каландры) (Рисунок 10).
Рисунок 10 - Каландр
Когда полимер проходит через зазоры валов каландра, то в нем возникают направленные вдоль пленки напряжения, таким образом происходит продольное ориентирование пленки, этот эффект еще называют «каландровым эффектом». Несмотря на то, что температура валков достаточно высокая, пленка не успевает пройти релаксацию из-за значительной линейной скорости движения полотна пленки.
Чтобы устранить эти напряжения, плёнка дополнительно проходит через специальные обогреваемые валы. При необходимости, чтобы придать поверхности плёнки определённую фактуру, плёнка проходит через устройство тиснения, которое представляет собой два обогреваемых вала, поверхность одного из которых имеет необходимый рисунок. Далее пленка подается на устройство охлаждения, которое состоит из нескольких барабанов, соприкасаясь с поверхностью которых, пленка охлаждается. Для выравнивания краев пленочного полотна используется система обрезки кромок, после чего пленка поступает в устройство намотки, где наматывается в рулоны. Обычно такие линии, в целях контроля толщины пленки, комплектуются толщиномером и металлодетектором, чтобы не допустить повреждения валов каландра.
Каландровым методом можно изготавливать пленки толщиной от 0,07 до 0,5 мм, при этом линейная скорость движения пленки по линии достигает 100м/мин и более.
Дополнительно, каландры могут иметь приспособления для одно- и двуосной вытяжки пленки. Этим методом получают, также, пленки из ацетатов целлюлозы, ударопрочного полистирола, полиуретанов и др.
Толстые полимерные пленки толщиной 0,2-2,5 мм получают сочетанием различных методов, например, экструзией и каландрованием с последующей глубокой вытяжкой. Метод применяется в производстве пленочных материалов из ударопрочного полистирола, АБС-пластика, полипропилена, из некоторых термостойких термопластов.
3.3 Отливание пленок из растворов
Применяется в случае, когда пленку невозможно получить другим способом. Процесс организован в несколько стадий (Рисунок 11):
· приготовление гомогенных растворов и их фильтрация;
· нанесение раствора тонким слоем на полированную металлическую ленту-транспортер,
· сушка, в процессе которой растворитель полностью испаряется из раствора,
· намотка готовой пленки.
Рисунок 11 - Схема процесса отливки
1 - раствор полимера; 2 - распределительный клапан; 3 - раствор полимера; 4 - испарение растворителя; 5 - лента; 6 - пленка; 7- сматывающая катушка.
Таким способом получают пленки из целлофана, эфиров целлюлозы и др.
3.4 Соэкструзия
Соэкструзией называют процесс получения многослойных пленок в виде комбинации из нескольких полимерных слоев за один цикл. Данный метод позволяет производить обширный ассортимент пленок со свойствами, которые невозможно получить путем обычной (однослойной) экструзии. Комбинируя несколько слоев разных полимеров (ПП, ПЭ, ПА, ПЭТ, др.), используя механические свойства одного полимера и барьерные свойства другого можно получить практически «идеальный» упаковочный материал.
Рисунок 11 - Экструзионная линия для производства полимерных пленок PP/PE/PS/ABS/PVC/PBT многослойных и однослойных
Сочетая разные полимеры и внося дополнительные добавки, можно добиться, чтобы многослойные пленки приобретали, к примеру, такие свойства, как обеспечение защиты от водяного пара, кислорода, углекислого газа, селективную проницаемость, возможность склеивания, высокую прочность, легкооткрываемость, выдерживание низких или высоких температур, удерживание вкусовых качеств и запахов, предотвращение запотевания, возможность термоформования и т.д.
Рисунок 12 - Щелевая соэкструзия
Рисунок 13 - Соэкструзия трехслойного пленочного полотна
Процесс соэкструзии аналогичен процессу экструзии через плоскощелевую головку, описанному выше, отличие - вместо одного экструдера используется несколько экструдеров, потоки расплавленных полимеров из которых направляются в общую экструзионную головку, в ней эти потоки накладываются друг на друга слоями, не смешиваясь, и далее подаются на охлаждающий барабан (Рисунки 12, 13).
3.5 Ламинирование и каширование
Многослойные комбинированные пленки с использованием бумаги, фольги, картона, тканей, других пленок и прочих рулонных материалов получают методами ламинирования и каширования.
Ламинирование - процесс, осуществляемый на валковом оборудовании для соединения пленочных материалов. Для этого на пленку-основу наносят расплавленную пленку и соединяют со вторым пленочным материалом на вальцах или четырех- или пятивалковом каландре.
Рисунок 14 - Экструзионное ламинирование
Экструзионное ламинирование - процесс соединения пленок с использованием расплава. Используя этот метод можно производить и многослойные пленки.
Для этого нужно применить соэкструзионную линию с несколькими экструдерами, покрытия при этом наносятся с помощью соэкструзионной головки.
Основой могут быть бумага, картон, двуосноориентированные ПА, ПЭТ, ПП пленки, алюминиевая фольга, ткани, нетканые материалы (Рисунки 14, 15). Для соединения слоев и нанесения покрывной пленки обычно применяют полиэтилен низкой плотности, полипропилен и их сополимеры.
Рисунок 15 - Машина для экструзионного ламинирования
Каширование (склеивание) - это использование клея (адгезива) для соединения слоев (с последующим прижимания валками). Существует два способа: сухой и мокрый.
Мокрый способ: на пленку наносится клеевой слой и, не дожидаясь его высыхания, пленки сразу же соединяют. Основой клеевого слоя являются эмульсии, латексы, водные растворы (Рисунок 16).
Рисунок 16 - Метод мокрого каширования
1,3 - узлы размотки; 2 - узел нанесения адгезива; 4 - сушильная камера; 5 - узел намотки.
Метод с нанесением раствора полимера на основу и далее с проведением сушки применяется для таких полимеров, для которых не применим метод получения через расплав с использованием обычных технологий. Сухой способ: данный способ предусматривает предварительную сушку в ламинаторах нанесенного слоя клея, а уже потом соединение склеиваемых поверхностей. Клеевой основой при данном методе выступают растворы полимерных смол, каучуков в органических растворителях (Рисунок 17).
Рисунок 17 - Метод сухого каширования
1,5 - узлы размотки; 2 - узел нанесения адгезива; 3 - сушильная камера; 4 - ламинатор; 6 - узел намотки.
В настоящее время все больше используют бессольвентный метод, который предусматривает, для соединения склеиваемых поверхностей использование двухкомпонентного клея, не содержащего растворителя, оборудование при этом более компактное, технология пожаробезопасная.
3.6 Металлизация
Металлизация - современный вариант фольгированния пленок. Алюминиевая фольга часто имеет дефекты поверхности (микротрещины, поры), что снижает барьерные свойства комбинированных пленок. Металлизированные пленки получают посредством термического распыления алюминия (или сплава) с осаждением на поверхности полимерной пленки в вакуумной камере. Наибольшее качество достигается при использовании в качестве основы двуосноориентированных пленок.
Рисунок 18 - Процесс метализации
Процесс металлизации осуществляется в условиях глубокого вакуума, создаваемого с помощью специальных вакуумных насосов, тип которых зависит от размеров оборудования. В условиях высокого вакуума металл (обычно алюминий или реже -- бронза) испаряется и в виде очень тонкого слоя (0,01--0,3 мкм) оседает на непрерывно движущуюся подложку. Подложка в виде разматываемого с бобины полотна пленки или бумаги направляется в вакуумную камеру и после металлизации наматывается на бобину, проходя через ряд валков (Рисунок 18).
3.7 Прочие виды пленок
Различают одно- и двуосноориентированные пленки. Их получают посредством растягивания в специальных устройствах, с применением далее термофиксации или без нее. При этом улучшаются физико-механические свойства пленок:
· повышается прочность в направлении ориентации,
· снижается количество дефектов,
· снижается вероятность развития микротрещин,
· улучшается стойкость к проколу.
Технологические параметры данного процесса - скорость, температура, степень вытяжки - зависят от вида полимера. Ориентированная пленка практически не растягивается.
Термоусадочные пленки - в процессе технологии ее получения пленку нагревают и вытягивают, молекулы полимера приобретают более упорядоченную структуру.
Полученная пленка приобретает свойство к усаживанию при нагревании, вследствие того, что нагревание возвращает полимеру хаотическую ориентацию (Рисунок 19). Сырьем для ее производства служит ПВХ, ПЭ, ПП, ПЭТФ и др.
Рисунок 19 - Термоусадочная плёнка
Стрейч-пленки получают из полимеров, в которых содержится эластомер, например, сополимеры этилена с каучуками, пластифицированный ПВХ, ЛПНП и другие (Рисунок 20).
Природа пленок обеспечивает хорошую адгезию между слоями, т. е. происходит слипание пленок. Получают экструзией и соэкструзией.
Производят пленки и со специальными свойствами, это перфорированная полимерная пленка (имеет небольшие отверстия - перфорацию); водорастворимые пленки - растворяются в воде при обычных условиях или при нагревании; пленка для термоформоформования - это в основном ПВХ, ПП,ПС, ПЭТ; воздушно-пузырчатая пленка, представляющая двух или трехслойную пленку с заключенными между слоями полиэтиленовой пленки пузырьки воздуха.
Рисунок 20 - Стрейч-пленка
Рисунок 21 - Дробилка
Практически все пленки можно утилизировать и повторно использовать, для чего применяют такое оборудование как мойки, дробилки и грануляторы (Рисунок 21). полимерный целлюлоза ламинирование плёнка