Реферат: Полимерные ящики и контейнеры
Стоимость изделий, изготовленных литьем под давлением, может быть примерно оценена по массе модели или расчетом массы по масштабированным чертежам, используя известную стоимость 1 кг пластика. К этому добавляют коэффициент на машинное время, обычно равный стоимости материала (или больше, если деталь мала или имеет сложную конфигурацию). Следует учитывать также износ форм (период их амортизации составляет обычно 2-3 года). Если стоимость форм не известна, для грубой оценки следует добавить четверть стоимости материала и еще столько же на упаковку и транспортирование. Например, стоимость материала на изготовление литьем под давлением полипропиленовой чашки для молока массой 21,3 г составляет около 2 центов. Добавив еще 2 цента на машинное время, полцента — на амортизацию форм и еще полцента — на упаковку и транспортирование, получим общую стоимость данной детали — 5 центов.
Спецификация форм
Важным фактором в проектировании деталей упаковки, изготовляемых литьем под давлением, является спецификация оборудования. Хотя зачастую этот вопрос оставляется решать другим, инженер-упаковщик все-таки должен немного подумать о различных аспектах изготовления форм еще в процессе разработки упаковки. Если предполагается изготовление большого количества изделий, относительная стоимость форм и другого вспомогательного оборудования будет невелика, и в этом случае можно рассчитывать, что для больших объемов продукции наиболее дешевыми окажутся самые лучшие формы. Для небольших же объемов производства стоимость форм существенно сказывается на цене изделий, и здесь необходимо рассмотреть все имеющиеся варианты. Например, некоторые детали могут быть изготовлены как методом литья под давлением, так и методом термоформования, и выбор между ними должен делаться исходя из экономических соображений. Оборудование и оснастка для термоформования намного дешевле, чем для для литья под давлением, однако стоимость одного изделия может быть выше из-за большого количества отходов и цены экструдированных листов.
Кроме того, существует вопрос, кто и где будет проводить формование. Термоформование обычно выполняется на предприятии, где продукция упаковывается, на относительно недорогом оборудовании. Более сложное литье под давлением обычно выполняется вне предприятия, и в этом случае необходимо как можно раньше выбрать поставщика и в процессе выработки конструкции упаковки работать с ним в тесном контакте. С поставщиком желательно заключить соглашение о конфиденциальности, патентной чистоте, собственности на оборудование и инструменты, стоимости разработки и о многих аналогичных деталях. Гораздо проще определить эти моменты вначале, чем пытаться прийти к соглашению тогда, когда уже было затрачено много времени и средств. Ниже приведены основные моменты, которые желательно определить вместе с поставщиком.
Оборудование: примерная стоимость, право собственности, его замена (обычно 30%), срок эксплуатации, условия платежа.
• Детали упаковки: примерная стоимость, порядок утверждения, даты поставки.
• Патентная чистота: стоимость и платежи за пользование патентом, защита отмошенничества, соглашения о конфиденциальности.
• Изготовление форм: количество гнезд, резервные формы, примерная стоимость, условия платежа, право собственности, срок эксплуатации, технический уходи обслуживание, порядок рекламации, пригодность к работе на других литьевыхмашинах (конкурентных), эксклюзивное использование, страхование, стоимость замены.
• Контроль качества: допуски на коробление, порядок проверки образцов, стоимость сортировки изделий, методы оценки качества, потери при сборке.
• Упаковка и транспортирование: перепоставка, недопоставка и методы их оценки.
1.2 Компрессионное формование
Прессование в производстве упаковки, когда-то использовавшееся в основном для производства резьбовых пластмассовых пробок, в настоящее время практически везде заменено литьем под давлением. Тем не менее некоторые надежды на возрождение производства изделий из термоактивных пластиков дает упаковка, предназначенная для разогрева в микроволновых печах. Она сначала начала применяться для упаковки обедов на авиалиниях, а затем — для изготовления лотков из полиэфирных термореактивных стекловидных пластиков, разработанных специально для использования в СВЧ- или конвекционных печах для замороженных пищевых продуктов.
Технология прессования проста, а затраты на оснастку невелики. Пресс-формы обычно изготовляют из стали, однако сам процесс достаточно медленный. Время на разогрев и отверждение в форме составляет в среднем от 0,5 до 1 мин/мм или более (в зависимости от толщины изделия), и при данном способе малы отходы производства и износ пресс-форм. Изделия, полученные этим методом, отличаются хорошей теплостойкостью и стабильностью размеров.
При прессовании пресс-форму нагревают до температуры примерно 149 °С, и гранулированный материал с небольшим запасом помещают в форму. Излишки материала выдавливаются в процессе смыкания пресс-формы и удаляются в ходе следующей операции (рис.5). Работа осуществляется под давлением около 25 МПа. Затем изделие извлекают из пресс-формы, а остатки облоя удаляются в устройстве с вращающимся барабаном, предназначенным специально для этой цели.
Рис.5 При прессовании пресс-материал с небольшим запасом помещается в разогретую форму. Когда пресс-форма смыкается под большим давлением, излишек выдавливается в виде облоя и должен быть впоследствии удален.
Прессованные изделия из ФФС в течение нескольких часов после извлечения из пресс-формы подвергаются некоторой усадке. Фактически незначительная усадка продолжается в течение нескольких месяцев, но это имеет значение только для деталей, очень плотно прилегающих друг к другу. При необходимости стабилизировать усадку можно применить отжиг изделия, который устраняет все последующие изменения размеров. Выдержка типичного изделия из фенопласта в течение 8 ч при температуре 176,7 0С дает усадку около 5 мкм/мм.
Пластмасса отверждается около 1 мин, форма открывается и готовое изделие удаляется из формы.
Обычно используемые при прессовании материалы — это фено- или аминопласты на основе ФФС и КФС соответственно, которые отверждаются под действием тепла. Как правило, к смолам для улучшения их технологических свойств и прочности, а также для удешевления добавляют наполнители, которыми могут служить древесная мука, асбест, графит, текстильная крошка, слюда, сизаль, бумага, синтетические или стеклянные волокна или другие аналогичные материалы. Крышки из реакто-пластов дороже металлических, но по внешнему виду они лучше подходят к упаковке фармацевтических и косметических товаров.1.3 Ротационное формование
Для производства небольшого количества крупногабаритных изделий, где важна стоимость пресс-форм, или при разработке новой упаковки контейнерного типа, где изменения должны быть сделаны быстро и с небольшими затратами, лучше всего подходит ротационное формование.
Рис. 8.22. При ротационном формовании, напоминающем процесс изготовления пустотелых шоколадных зайцев, порошкообразный полимер загружается в холодную форму, которая в печи начинает вращаться в двух плоскостях и разогревается. Под действием центробежной силы расплавленный полимер равномерным слоем покрывает поверхность формы, образуя готовое изделие.
Данный метод, иногда называемый ротационным литьем, позволяет получать пустотелые изделия однородной толщины фактически без швов и без внутренних напряжений, возникающих в случае применения традиционного формования или термоформования. В индустрии упаковки ротационное формование применяется, как правило, для изготовления больших контейнеров типа бочек и бутылей, а также пластмассовых поддонов (паллет). Минимальная толщина стенки для подобных изделий составляет около 0,8 мм. Формы для ротационного формования дешевле, чем для литья под давлением, и немного дороже, чем для термоформования. Затраты на материалы из-за использовании в ротационном формовании порошковых или жидких смесей более высоки, чем при использовании гранулированного материала при литье под давлением, ниже и производительность в расчете на одну форму. Вместе с тем по данной технологии можно получить полое изделие практически любой формы. Изделия с двойными стенками, сложные изделия, вставки — все это может быть выполнено с использованием ротационного формования, и поэтому в настоящее время оно является одним из наиболее быстро развивающихся методов изготовления изделий из полимеров, применение которого увеличивается на 25-30% в год.
Первыми материалами для ротационного формования были поливинилхлоридные пластизоли, позднее стали применяться полиуретаны. В настоящее время в основном используют ПЭ, хотя применяются и другие термопласты — ПЭТФ, ПП, ПВХ, ПК и полиамиды.
По такой технологии дозированное количество хорошо измельченного в порошок полимера вручную помещается в форму, которая установлена на валу, с помощью которого она помещается в печь. В печи она разогревается горячим воздухом до 260 "С, причем форма вращается в двух плоскостях так, что ее внутренняя поверхность покрывается тонким равномерным слоем расплавленного полимера (рис.6).
По возможности форму следует располагать как можно ближе к осям вращения, чтобы центробежные силы не вызвали слишком большого изменения толщины слоя расплава. Скорость вращения формы составляет около 12 об./мин вокруг большой оси и около 3 об./мин — вокруг малой. Более высокие скорости обычно используются для того, чтобы расплав мог заполнить небольшие углубления формы. Как правило, для разогрева полимера внутри формы требуется только 10 мин, при этом расплав равномерно покрывает стенки; затем форма перемещается в камеру охлаждения, где она охлаждается путем орошения холодной водой, и полимер затвердевает. Может также использоваться холодный воздух в сочетании с орошением водой (или без него).
Формы снабжены вентиляционными каналами, чтобы во время формования в них не повышалось давление, хотя небольшое давление иногда необходимо для обеспечения контакта полимера с поверхностью формы. По мере охлаждения плоские поверхности имеют тенденцию отставать от формы, чего следует избегать. Такая усадка часто наблюдается, если форма охлаждается слишком быстро, вследствие чего возникает коробление и увеличивается хрупкость изделия.
Оборудование для ротационного формования весьма разнообразно — от простых устройств типа стаканов с одной осью вращения, служащих, как правило для изготовления емкостей с открытой горловиной из смесей жидкости и порошка, до карусельных систем с большим количеством форм, служащих для изготовления небольших изделий, или челночного оборудования для изготовления крупногабаритных изделий. Некоторое оборудование, как показано на рис.6, оснащено встроенными циркуляционными системами масляного разогрева и охлаждения форм, снабженных терморубашкой, так что отпадает необходимость в печи. Сами формы изготовляют из стали, но для получения небольших изделий иногда применяют алюминиевые или медно-никелевые формы.
Последние разработки позволили применять предварительно окрашенные полимеры, которые могут быть использованы в качестве декоративных слоев для вторичных пластмасс и пены. Впрыск полимерной пены между твердыми стенками придает крупногабаритным изделиям прочность и жесткость. Различные декоративные элементы типа этикеток, получаемые непосредственно в процессе формования, могут создать элементы отделки, устойчивые к истиранию и износу.
1.3 Раздувное формование
История раздувного формования ведет свое начало с 1930-х гг., когда с помощью этой технологии изготовлялись детские погремушки, куклы и шарики для пинг-понга. Если же заглянуть в глубь веков, то мы обнаружим, что еще в Древнем Египте раздувом изготавливали изделия из древесной смолы, которая, затвердевая, превращалась в янтарь.
Практическое применение формования раздувом началось с тех пор, как в 1937 г. Фернгрен и Копитке соединили экструзию с формованием раздувом и продали свою идею Hartford Етpire Сотрапу. Для дальнейшего совершенствования этой технологии была создана корпорация Plах под руководством Джеймса Бэйли. Во время второй мировой войны на рынке появился ПЭНП, который оказался пригоден и для этой технологии. Вскоре ее стали применять и другие фирмы, разрабатывая свое оборудование и формуя мягкие бутылки. Такое оборудование долгое время являлось коммерческой тайной, и только в начале 1958 г. оно стало доступным на рынке. Одним из первых видов тары для продаваемых в розничной торговле продуктов стала мягкая бутылочка для дезодоранта Stopette; появившись на рынке в начале 1947 г., эта упаковка пользовалась большой популярностью.
В 1957 г. внимание производителей бутылок было привлечено к технологии производства ПЭВП при низком давлении. В 1959 г. уже пять фирм стали производить из него бутылки для моющих средств. В настоящее время более 350 фирм-изготовителей ежегодно выпускают более 9 млрд единиц пластиковой тары методом выдувного формования.
Наиболее широко используемый материал для бутылок — это ПЭВП, стоимость которого по сравнению с ПЭНП незначительно колеблется в обе стороны и зависит от его доступности на рынке, но он отличается большей жесткостью и меньшей влагопроницаемостью. Благодаря своей жесткости ПЭВП позволяет делать стенки бутылок более тонкими, что уменьшает цену изделия. ПЭНП используется там, где требуется повышенная прозрачность и мягкость бутылки.
ПЭТФ это наиболее быстро прогрессирующий на рынке материал для изготовления пластиковых бутылок (прежде всего для безалкогольных напитков и питьевой воды, особенно объемом более 1,5 л). Изготовление таких емкостей потребовало разработки специальной технологии для достижения требуемой жесткости и ударопрочности. При этой технологии преформу (заготовку) экструдируют или формуют с применением литья под давлением, затем охлаждают до температуры вытяжки, находящейся в диапазоне от температуры стеклования (68,2 °С) до температуры плавления (218,3 °С). Формовочный стержень формы вытягивает преформу в продольном направлении, а давление воздуха раздувает заготовку в поперечном направлении до контакта со стеками полости формы. В зависимости от размера бутылки и требований рынка стоимость ПЭТФ может быть несколько дороже стекла, но фактор безопасности и меньшей массы дает пластику немалые преимущества, особенно у бутылок больших размеров. В ПЭТФ-бутылки фасуют и другие продукты растительное масло, салатные дрессинги и т. п.
Следующий по важности материал для выдувного формования — это ПП, характеризующийся высокой стойкостью к растрескиванию и который, следовательно, может использоваться в контакте с агрессивными жидкостями, разрушающими упаковку из ПЭВП. Около двух третей общего объема выпуска этого полимера используется для упаковки потребительских товаров; из них около половины используется для фармацевтических изделий, где наибольшее количество приходится на изготовление небольших контейнеров методом экструзии с раздувом. Высокая прочность позволяет ПП использоваться для изготовления более крупных контейнеров емкостью до нескольких галлонов. Для раздувного формования чаще всего применяют статистические сополимеры, поскольку они увеличивают его ударопрочность при низких температурах. В ходе модернизированного метода раздувного формования ПП (так называемого Orbet-процесса, разработанного в Phillips Petroleum Со.) полимер по мере раздува двухосно ориентируется, что обеспечивает отличную прозрачность, существенно повышает предел прочности на разрыв и ударопрочность, а также придает ему лучшие барьерные свойства по сравнению с неориентированным ПП. Растущей доле ПП на рынке способствуют также осветляющие добавки.
Несмотря на выступления защитников окружающей среды, третье место среди пластиков для изготовления бутылок удерживает ПВХ. У него хорошая ударопрочность, он относительно дешев и может быть совершенно прозрачным и бесцветным. По сравнению с ПЭВП кислородопроницаемость ПВХ составляет лишь одну пятнадцатую, что позволяет применять ПВХ для упаковки косметических товаров и шампуней, чувствительных к окислению.
ПВХ устойчив к маслам и большинству органических растворителей. Стойкость к действию нефтепродуктов у него высока, что делает этот материал подходящим для упаковки бытовых чистящих средств. С ПВХ совместимы даже жидкости для заправки зажигалок. По сравнению с ПЭ он не так хорош для упаковки материалов, содержащих воду, так как потери влаги могут составлять от 2 до 20% в год, а из-за того, что ПВХ имеет глянцевую поверхность, царапины на нем более заметны, чем на другом бутылочном пластике.
