Реферат: Полимерные ящики и контейнеры
Прежде ПВХ было трудно перерабатывать на литьевых машинах из-за его деструкции при нагревании. По этой причине должна соблюдаться идеальная чистота, а само оборудование следует проектировать «без карманов», в которых полимер мог бы задерживаться. Между критической температурой термодеструкции в 238 °С и температурой переработки в 204 °С разница невелика. Рекомендуется, чтобы после того как бутылки простоят сутки заполненными соответствующим продуктом, они были подвергнуты вибротесту и испытанию на сбрасывание. Кроме того, из-за повышения хрупкости при низких температурах желательно, чтобы испытание на сбрасывание проводилось и при температуре в минус 17,8 °С, и при нормальной температуре окружающей среды. Усадка три низких температурах у ПВХ невелика, однако этот материал обладает эффектом памяти на деформацию, и стенки упаковки могут сжиматься, если изделие не было тщательно охлаждено перед извлечением из формы.
Коммерческое применение других материалов не настолько обширно, но они могут использоваться в специальных целях. ПК, например, обладают большой прочностью, отличной прозрачностью и хорошей стойкостью к маслам, отсутствием запаха или вкуса, изделия из него можно стерилизовать паром. Некоторые виды ПК одобрены FDA для контакта с пищевыми продуктами. Самый большой его недостаток — это довольно высокая стоимость, но если бутылки из ПК являются возвратными или тара должна быть особо прочной, то ПК вполне могут оказаться незаменимым материалом.
При переработке ПК следует особо тщательно контролировать температуру, так как от нее существенно зависит вязкость расплава. Бутылки из ПК могут быть повреждены щелочными моющими растворами, и для них необходимы специальные моющие средства.
Еще одним пластиком, используемым в небольших количествах для изготовления бутылок, является ПС. Очень прозрачный и жесткий, он очень напоминает стекло. Этот полимер очень хрупок, но при применении для его получения металлоценовых катализаторов его можно упрочнить. ПС-преформы могут быть изготовлены с помощью литья под давлением и отформованы в бутылки с помощью сжатого воздуха при практически безотходном производстве. Данный материал характеризуется удовлетворительными барьерными свойствами относительно водяного пара и газов, но он растворяется сложными эфирами и кетонами, содержащимися в эфирных маслах. Перед использованием этого материала для изготовления бутылок настоятельно рекомендуется проводить тщательные испытания.
1.4 Экструзионно-раздувное формование
Из трех методов раздувного формования, применяемых для изготовления упаковки, наиболее широко используется метод, называемый «экструзионное формование с раздувом». Он заключается в экструзии трубки, называемой «преформа», в нижнем направлении. Когда она достигает нужной длины, разведенные половинки пресс-формы, окружающие заготовку, смыкаются, обрезая и замыкая дно, и остается только канал вверху для подвода сжатого воздуха, с помощью которого в дальнейшем и формуется изделие (рис. 7).
Рис 7. При формовании раздувом полуформы смыкаются вокруг преформы; при движении вниз в разогретую и пластичную заготовку подается воздух, выдувая изделие, которое после формования извлекается из формы; последняя снова перемещается вверх и захватывает новую преформу.
При такой технологии форма для получения последовательно экструдируемых иреформ может быть стационарной, а процесс раздува может происходить на одном блоке. Возможна и непрерывная экструзия преформ, если форма при подъеме захватывает преформу, а затем опускается для формования раздувом. Непрерывно экст-рудируемые преформы могут также захватываться формами, смонтированными сбоку, челнок которых, совершая возвратно-поступательные движения, захватывает преформу, которая затем выдувается, и готовое изделие извлекается практически без остановки. Этот скоростной процесс особенно подходит для изготовления изделий из ПВХ, причем его температура должна жестко контролироваться во избежание разложения и изменения цвета материала (рис. 8).
Для увеличения выпуска продукции при использовании непрерывной экструзии преформ существует специальное оборудование, в котором на карусели установлено множество форм, непрерывно вращающихся под расположенным наверху экструде-ром, формуя и сбрасывая готовые изделия в процессе вращения карусели с формами. Поскольку для подобных систем требуется много форм, а для их смены необходимо время, такое оборудование целесообразно использовать для изготовления больших серий изделий одинакового размера (в частности, для крупномасштабного производства пластиковых бутылок). В оборудовании подобного типа пластиковые бутылки обычно отделяются от непрерывных преформ после охлаждения и раскрытия форм.
Для получения преформ, из которых изготовляют изделия методом раздува, используются два типа шнековых машин, аналогичных применяемым для литья под давлением. Для изготовления небольших контейнеров используют машины со шнеками возвратно-поступательного действия и двухшнековые машины (рис. 9). Они снабжены вторичным накопителем и поршнем для порционного выдавливания преформ. Экструдеры с накапливающей головкой и плунжерной подачей применяются для изготовления больших контейнеров, включая пластиковые бочки.
Все головки экструдеров могут быть оснащены устройствами программирования преформ. В обычных головках расположение дорна внутри головки экструдера для получения одинаковой структуры стенок преформы фиксируется. В программируемых головках для регулирования толщины стенок преформы положение дорна может регулироваться (рис.10). Это позволяет изменять толщину стенки заготовки по длине — больше в основании изделия (для прочности), больше в тех местах, где материал должен раздуваться сильнее, и меньше там, где тонкие и небольшие участки не требуют большого количества материала. В реальном процессе формования теплый мягкий пластик растягивается под действием сжатого воздуха и принимает форму готового изделия (см. рис. 7).
Рис. 9. В машинах, используемых для инжекционного и выдувного формования, для нагревания, плавления пластмассовых гранул и перемешивания материала используются шнеки.
При экструзионном формовании с раздувом на нижней части готового изделия хватается небольшой «хвост», который должен удаляться. Раньше горловины готовых бутылок для приведения в соответствие их размеров подвергали механической обработке. В настоящее время большая часть раздувных агрегатов автоматически заполняет операции по снятию облоя с готовых изделий непосредственно на них, и формование горлышка происходит в форме совместными усилиями инъекционной иглы и формующего горлышко кольца. Транспортные контейнеры и емкости с широким горлышком по-прежнему проходят заключительные этапы обработки на дополнительных обрезных прессах для снятия заусенцев.
Рис. 10. Для соблюдения геометрической формы контейнера возможно применение программируемых преформ, что позволяет увеличивать прочность в необходимых местах и минимизировать утонение в углах.
Экструзионное формование с раздувом больше всего подходит для изготовления пластиковых контейнеров любой формы и размеров и транспортной тары. Формы относительно дешевы и зачастую их изготовляют из алюминия (как для крупно-, так и для мелкосерийной продукции).
1.5 Инжекционное формование с раздувом
Еще один метод формования — это двух- или трехступенчатый процесс, в котором преформа изготовляется методом литья под давлением (вместо экструзии) и переносится на формовочном стержне в узел раздува. Ранние двухступенчатые системы формования были крайне неудобны, так как в процессе съема готового изделия останавливались две формовочные станции. В 1961 г. итальянец Гуссони для ускорения этого процесса добавил третий узел для извлечения готовых изделий, и в таком виде подобные устройства используются и в настоящее время. Иногда для кондиционирования пластиковых бутылок, их контроля и/или декорирования применяют какие-либо дополнительные узлы. В последнее время разработаны методы формования бутылок без образования облоя, позволяющие создавать более привлекательные по внешнему виду флаконы для парфюмерных и косметических товаров.
Похожая технология, называемая «формование с раздувом и перемещением заготовки», заключается в помещении дозированного количества пластикового расплава в специальный контейнер для получения преформ и переносе полученной заготовки с помощью формовочного стержня в зону формования горлышка для последующего раздува. Эта технология применяется для изготовления небольших бутылочек и емкостей, где необходимы особо точные размеры. Использование инжекционного формования находит свое применение в области упаковки фармацевтической продукции, где необходимы контейнеры высокого качества и с точными размерами.
Инжекционная технология позволяет обеспечить высокую точность и контроль массы, особенно при формовании горловины с допусками ± 102,6 мкм. Это важно там, где используются пробки или другой вид специального укупоривания, например пробки с защитой от несанкционированного открывания (в частности, детьми). В настоящее время емкости могут быть изготовлены без облоя и без дополнительных заключительных операций, однако стоимость форм для такой технологии достаточно высока. Форма изделий, получаемых по технологии инжекционного формования, обычно стандартна, а их емкость не должна превышать 236,6 мл, хотя в последнее время получают распространение бутылки и емкостью 473 мл (16 унций).
1.6 Формование с раздувом и вытяжкой
Третий метод формования может быть использован для полимеров, способных к линейной ориентации, — например, ПЭТФ, ПВХ, ПП и аморфных полиамидов. Наибольшее применение этот метод находит при изготовлении бутылок для напитков. При его использовании предварительно отформованная преформа разогревается до температуры чуть выше температуры стеклования (во избежание кристаллизации) и растягивается, ориентируется, а в дальнейшем выдувается по одно- или двухступенчатой технологии.
При двухступенчатой технологии преформы изготовляют отдельно (обычно на другом оборудовании) и уже готовыми помещают в машину повторного нагрева и выдува. При одноступенчатой технологии все эти процессы выполняются на одной и той же линии. Операции формования преформы и ее раздува схожи с аналогичными при экструзионном формовании с раздувом. Преимущества раздува с вытяжкой заключаются в повышении прозрачности материала, глянца, ударопрочности и плотности. Этот метод позволяет также производить емкости с очень тонкими стенками, что снижает стоимость упаковки.
Особое применение формования с раздувом — это изготовление стерильной упаковки, в ходе которого этапы раздува, заполнения и герметизации упаковки сводятся в одну операцию. При этом все последовательные операции производятся в стерильной камере, где упаковка (иногда находящаяся еще в форме) заполняется предварительно стерилизованным жидким продуктом. Герметизация упаковки производится разогретым штампом, который является или частью формовочного устройства, или отдельным укупорочным приспособлением, формующим и присоединяющим пробку типа твист-офф (открываемую поворотом на четверть оборота). При другой технологии изготовления стерильной упаковки емкость формуется обычным образом в стерильных условиях, заполняется предварительно стерилизованным продуктом и закрывается предварительно стерилизованной пробкой (крышкой). Как правило, конструкция такого оборудования отражает жесткие требования к стерильности. Оно изготовляется из нержавеющей стали и проектируется так, чтобы обеспечить изначальную стерильность и возможность безразборной мойки (СIР) с помощью моющих средств и пара.
Конструкция форм
Два наиболее важных фактора, которые следует иметь в виду при изготовлении форм для выдувного формования, — это теплообменные свойства и износостойкость. Наиболее подходящие материалы — алюминий, сталь и сплав бериллия с медью. Выбор материала зависит от технологии выдувного формования и природы пластика. Так, например, для работы с полиолефинами наиболее часто используются алюминиевые формы, подвергнутые дробеструйной обработке во избежание задержки воздуха между стенками полости изделия.
Твердый, устойчивый к коррозии сплав бериллия с медью характеризуется высокими теплопроводностью и износостойкостью. Формы из этого материала часто используют для формования изделий из ЛВХ. Для получения более высокого глянца поверхности изделий формы для ПВХ полируют и покрывают хромом. Этот сплав дороже алюминия, он тяжелее и дольше обрабатывается.
При инжекционном формовании с раздувом полости для преформ, полости для формования жестких полимеров, горловинные кольца и формовочные стержни для всех видов пластиков изготовляют из закаленной инструментальной стали.
Участки формы для формирования горловины и основания, чтобы их было легче обрабатывать и заменять, как правило, представляют собой отдельные детали. Полуформы должны быть точно подогнаны друг к другу, так как любое несовпадение половинок приведет к утонению материала в месте соединения частей формы. Усилие запирания полуформ значительно меньше, чем форм для литья под давлением, поскольку они должны выдерживать давление в полостях лишь около 0,035 МПа.
Для обеспечения кратчайшего производственного цикла и одинакового состояния поверхности готового изделия необходимо соответствующее охлаждение формы. Водяные каналы в каждой полуформе могут быть либо просверлены насквозь, либо заглублены и располагаться перпендикулярно к оси формы как можно ближе друг к другу, поскольку 80% общего времени формования тратится на охлаждение, и любое улучшение системы охлаждения способствует повышению производительности.
Так как отформованное изделие обычно охлаждается в самой форме, были разработаны способы сокращения времени охлаждения и преодоления недостаточной теплопроводности большинства пластиков. Одним из таких способов стало применение в качестве раздувающего агента жидкого азота или диоксида углерода, а другим — глубоко охлажденного воздуха, содержащего водяной пар. При использовании подобных методов производительность возрастает более чем на 50%.
1.7 Термоформование
Различные типы термоформованной упаковки включают упаковку продукта, находящегося на твердой подложке, в обволакивающую пленку, блистерную упаковку и формованные контейнеры и крышки. Общим для них является то, что изначально все они представляют собой плоский лист пластика или пленку. Этот материал нагревается до размягчения и затем доводится до нужной формы под действием вакуума, давления или штампа или их комбинации. С помощью термоформования можно получить упаковку с максимально тонкими стенками (и поэтому затраты на материалы для подобной упаковки сравнительно низки), но большие потери из-за отходов в некоторой степени сводят на нет экономические преимущества. Формы для термоформования гораздо дешевле, чем для других методов (их стоимость в зависимости от конфигурации может составлять $1000-2000). Время, затрачиваемое на наладку оборудования, составляет несколько недель (в сравнении с месяцами, требуемыми на наладку оборудования для выдувного формования или литья под давлением).
Процесс нагревания и формования пластиковых листов был разработан в 1936 г.. когда во Франции для упаковки мяса впервые была использована термоусадочная пленка. В ходе второй мировой войны этот метод применялся для изготовления пластиковых топографических карт. Для упаковки этот метод стал широко использоваться лишь с начала 1960-х гг., когда впервые с помощью термоформования стали изготовляться контейнеры и крышки для молочных продуктов. Позднее при производстве коробок для яиц, мясопродуктов и т. п. стали применяться листы из пенополистирола. В настоящее время в этих целях в мире потребляется более 900 тыс. т листовых пластиков.
Для термоформования можно использовать любые листовые термопласты, однако было замечено, что одни материалы более полно соответствуют нуждам упаковочной промышленности, чем другие (из-за различий в прозрачности, запахе, технологических характеристиках и цене — см. табл. 8.2). Наиболее широко используются (в порядке убывания) ПВХ, ВОПЭ, ПС, ПП, ПЭТФ и ЛПЭНП.
Лидирует в этом списке полужесткий ПВХ, широко применяемый в упаковке пищевых продуктов благодаря своей прозрачности и влагонепроницаемости, которые могут быть дополнительно улучшены путем применения полиэтиленового слоя или материала с лучшими барьерными свойствами (большей кислородоне-
