Содержание
Введение
1. Технологическиеметоды
1.1 Литьёпод давлением
1.2 Компрессионноеформование
1.3 Ротационноеформование
1.4 Раздувноеформование
1.5 Экстурзионно- раздувное формование
1.6 Инжекционноеформование раздувом
1.7 Формованиес раздувом и вытяжкой
1.8 Термоформование
1.9 Вакуумноеформование в плотно прилегающую пленку на подложку
2. Видытары
2.1 потребительскаятара
2.2 транспортнаятара
Список литературы
Введение
Решающим факторомбыстрого развития производства полимерных материалов явилась ихконкурентоспособность с традиционными материалами. И если вначале полимерныематериалы рассматривались как заменители природных материалов. То в настоящеевремя они стали незаменимыми материалами, без которых не может обойтись ни однаотрасль промышленности. Важно отметить, что эта конкуренция продолжается исейчас. Технические и экономические преимущества нового материала оказалисьстоль велики, а новые области его применения (пленка, трубы, листы, литьевые,выдувные изделия, покрытия и др.) столь многообразны, что давно уже никто изспециалистов не рассматривает его как заменитель.
Одним из важных преимуществпластиковой упаковки остается ее прозрачность. Возможность видеть содержимоеупаковки при покупке продуктов принципиально важна. Кроме того, сетевая розницанастаивает на прозрачной упаковке для многих видов продукции, и производителивынуждены эти условия выполнять. Большими партиями заказывают продукты вмелкопорционной упаковке транспортные и авиакомпании. В России стандартныетребования к форме и размеру упаковки не разработаны, и не всегда отечественныеконтейнеры из-за несоответствия стандартам ЕС подходят к европейскомуупаковочному оборудованию, в частности при запаивании в термоусадочную пленку.Возможности жесткой полимерной упаковки во многом определяются особенностямиматериала и технологии изготовления. На материал для изготовления упаковкиприходится 70 % ее себестоимости. Чаще всего используются полистирол (ПС),поливинилхлорид (ПВХ), полиэтилентерефталат (ПЭТ) и двуосно-ориентированныйполистирол (БОПС).
В мировой практикесуществует большое разнообразие технологических методов переработки полимерныхматериалов в тароупаковочные средства, реализуемых на соответствующих видахспециального оборудования. Наиболее распространены: литье под давлением;компрессионное формование; ротационное формование; раздувное формование:экструзионно-раздувное форомование, инжекционное формование с раздувом;термоформование.
1 Технологическиеметоды
1.1 Литье под давлением
Наиболее широкоиспользуемый метод изготовления пластмассовых изделий — это литье поддавлением. При использовании этого метода расплавленный полимер под высокимдавлением впрыскивается в массивную металлическую форму, охлаждается в течениенескольких секунд и затвердевает, принимая необходимую конфигурацию. Затемформа разъединяется на две части, изделие выталкивается, и форма закрываетсядля повторения цикла. Имеется формующее оборудование как для термопластов, таки для пластмасс термоактивного типа, а диапазон значений усилия смыканиянаходится в пределах от 1,4 до 6500 т для термопластов и от 4,5 до 5500 т длятермоактивных пластиков. К типичным упаковкам, полученным этим методом.относятся упаковки небольшого размера и детали для них — резьбовые пробки,стаканчики для молочных продуктов, небольшие бутылочки и флаконы, особенно длякосметических продуктов и медикаментов, преформы ПЭТФ-бутылок и заготовки длядонышек. Среди крупных изделий доминируют различные ведерки.
История развития
Первые машины для литьяпод давлением представляли собой механизмы плунжерного типа, в которых плунжерпоступательно перемещался в цилиндре, подавая расплав полимера в форму. Вначале 1950-х гг. была разработана двухступенчатая плунжерная система, где одиниз цилиндров назвали «предпластикатором», а так как он не предназначался длявпрыска расплава, он мог быть изготовлен с большей поверхностью теплопередачи.Инжекционный же цилиндр не предназначался для разогрева пластика, и поэтому могбыть большего диаметра и с большим рабочим ходом плунжера.
Как известно,экструзионные машины обеспечивают получение достаточно гомогенного расплава, ипоэтому логичным решением явилось применение в качестве подающего устройствасистемы шнекового типа. Первая шнековая машина появилась на рынке в 1956 г. В ней предпластикатор — цилиндр со шнеком (где полимер расплавлялся и из которого выдавливалсяв горизонтально расположенный инжек-ционный плунжерный цилиндр, находящийсянепосредственно под пластикатором) — располагался над инжекционным цилиндром,под углом к нему.
В современных литьевыхмашинах со шнековой пластификацией в одну линию шнек используют как дляпластификации материала (перевода его в вязкотекучее состояние), так и дляподачи его в литьевую форму. В начале цикла инжекционный цилиндр отводится отформы, шнек начинает вращаться и подавать расплав в переднюю часть цилиндра,отходя при этом назад. Когда форма готова принять расплав. шнек подаетсявперед, работая как плунжер, и заполняет расплавом форму. Такие машины называют«машинами с возвратно-поступательным шнеком» (рис. 8.17), и они являютсяпрактически единственно приемлемыми для переработки термически неустойчивыхполимеров типа ПВХ. Современной тенденцией является применение универсальныхмашин с возможностью более быстрой замены форм и роботизированным извлечениемсформованных изделий, что позволяет сократить брак.
/>
Рис 1. В литьевоймашине с возвратно-поступательным червяком последний осуществляетвозвратно-поступательное движение, вращается, перемешивая, нагревая ирасплавляя ер нал, подаваемый из загрузочной воронки накопительного бункера.
После смыкания формышнек прекращает свое вращение и перемещается вперед, впрыскивая расплав вформу. После выдачи очередной порции шнек возобновляет вращение и перемещаетсяназад, после чего цикл повторяется.
Основныеузлы оборудования
Литъевыемашины состоят из четырех основных блоков: узла смыкания форм, узла вспрыскарасплава (цилиндра с находящимся в нем червяком), гидравлического илигидромеханического привода и постоянно модифицируемых систем автоматическогоуправления технологическим процессом и задания рабочих параметров.
Узелсмыкания должен быть достаточно мощным для обеспечения надежного запирания форми достаточно быстродействующим для обеспечения кратковременности цикла. Сампроцесс смыкания формы может быть осуществлен механическими рычагами,гидромеханическими и полностью гидравлическими системами. Механические игидромеханические системы более быстры, а полностью гидравлические системыобеспечивают большее усилие запирания формы, но они срабатывают значительномедленнее.
Точноесмыкание полуформ очень важно, особенно при изготовлении тонкостенных изделий.Существуют три метода точного смыкания формы. При первом методе для правильногосоединения частей формы используются направляющие втулки и колонки. Этот методвесьма популярен, но его недостатком является быстрое изнашивание втулок всовременных системах высокого давления, используемых для получения тонкостенныхконтейнеров. При втором методе используется система смыкания с пневматическимиили механическими эжекторами. Третий метод, наиболее современный, — это метод«плавающего стержня», состоящий в том, что полуформы и направляющие втулки незакрепляются жестко на плите, а могут сдвигаться, обеспечивая большую точностьсмыкания. Такая система может использоваться практически с любыми эжекторами,снижая износ направляющих втулок. Применяются в основном два типа инжекционныхсистем – шнеки возвратно-поступательного действия и системы двухступечатнойинжекции.
/>
Рис.2 Расплав впрыскивается в сомкнутую форму под высоким давлением.
Послеохлаждения и затвердевания пуансон и матрица разделяются, и изделиевыталкивается из формы.
Вбольших машинах, как правило, используются системы с возвратно-поступательнымишнеками, в которых шнек при движении вперед подает порцию расплава полимера вформу (рис.1). В это время пластифицирующий шнек не должен вращаться, чтонесколько замедляет процесс формования. В двухступенчатой системе(используемой, когда важна скорость пластификации) применяется неостанавливающийсявозвратно-поступательный шнек, который перемещает расплав в дозирующий цилиндр,плунжер которого выталкивает материал в форму. Дозирующий цилиндр точноотмеряет порцию формуемого материала.
Вкаждой из систем расплав полимера подается в форму через центральный канал,называемый центральным литниковым каналом (рис.2). От центрального литниковогоканала отходят разводящие каналы, через которые расплав подается в оформляющиегнезда. Эти каналы сужаются вблизи оформляющих гнезд формы. В месте, гдерасплав входит в оформляющие гнезда, имеется специальный канал, называемый«впуск». Существуют два типа литниковых систем — горячеканальные и холодноканальные.Горячеканальные системы (обычно применяемые в производстве упаковки) постояннозаполнены расплавом, а в холодноканальных расплав в литниковых каналахзатвердевает и удаляется вместе с отформованным изделием. В этом случае отливкаизвлекается из многогнездовой формы с помощью выталкивателя, отдельные изделияоказываются соединены между собой материалом из литниковых каналов. Эти излишкидолжны быть либо обломаны, либо отрезаны. Во избежание накопления отходовизлишки материала, как правило, отправляются обратно в загрузочный бункер.Холодноканальные системы менее производительны, чем горячеканальные, однакопоследние более дорогие.
Наохлаждение и затвердевание изделий в формах тратится время, которое может бытьсокращено путем расположения охлаждающих каналов ближе к оформляющим гнездамформы, а охлаждающий агент для обеспечения максимальной теплопередачи долженинтенсивно циркулировать по системе.
Конструкцияизделий
Вразработке изделий, изготовляемых методом литья под давлением, должныучитываться специфические факторы, влияющие на внешний вид отформованного изделия(рис.3). Помимо этого следует учитывать и неизбежную усадку пластика в процессеохлаждения, величина которой зависит от типа пластика и конструкции изделия,составляя обычно от 0,1 до 4%. ПС, например, дает усадку примерно в 30 мкм/см.До некоторой степени усадку можно минимизировать путем повышения температуры идавления подаваемого в форму расплава, использования более длительного цикла, атакже поддержания требуемой температуры формы.
Крометого, неизбежно некоторое поднутрение, и если общий процент деформации изделияне превышает 7%, а угол скоса составляет не менее 30°, то его можно извлекатьиз формы без применения дорогостоящих устройств. Для изделий из ПП допустимо,например, поднутрение до 1 мм, если температура при выталкивании изделиясоставляет 93 0С или выше. При использовании в конструкции готовогоизделия особых зажимов из ПП их толщина должна составлять от 265 до 385 мкм, иони должны быть по возможности короче. Для очень больших деталей толщина зажимаможет быть слегка увеличена.
Ускоритьили замедлить поток расплава, поступающий в форму, позволяет специальнаяконфигурация впуска. В случае, когда общая длина литниковой системы велика,впуски ускоряют поток расплава. Для извлечения из формы готового изделия самымипростыми устройствами являются выталкивающие стержни, однако если они могутприводить к деформации изделия, лучшим вариантом выталкивателей являютсялопастные выталкиватели или пластины, воздействующие на все изделие и при съемеравномерно распределяющие усилие по его поверхности. Для извлечения глубокихпустотелых изделий иногда применяют вакуумные или тарельчатые клапаны, а такжепневматическую выемку. Полированные и хромированные формы позволяют получитьизделия с глянцевой поверхностью, но могут вызвать затруднения с извлечениемготовых изделий. Решить эту проблему помогает хонингование пескоструйнаяобработка поверхности формы. Для предотвращения коррозии от кислот,образующихся при разложении ПВХ, формы для формования изделий из ПВХ покрываютхромом, никелем или (в некоторых случаях) золотом.
Изготовлениелитьевых форм и их стоимость
/>
Рис.4. Литьеваямашина с гидравлическим узлом смыкания и двумя инжекционными цилиндрами можетпроизводить 12 двухцветных крышек (28 мм) за рабочий цикл в 5,5 с.
Литьевыеформы, как правило, состоят из двух основных частей: матрицы, формирующейвнешнюю поверхность изделия, и пуансона, формирующего его внутреннююповерхность (см. рис. 3). В зависимости от варианта формы в ней может иметься толькоодно оформляющее гнездо (если формуется только одно изделие за цикл), либо жеколичество таких гнезд может достигать 16, 24 или более в зависимости отразмера формуемых изделий, их требуемого количества и мощности литьевой машины (рис.4).
Чембольше количество гнезд, тем выше стоимость формы, но ниже стоимостьизготовляемых изделий. Формы могут иметь углубления для крепления в нихдополнительных вставок, например резьбовых замков.
Дляизготовления литьевых форм применяются разные способы. Самый простой — этомеханическая обработка металлической заготовки, выполняемая в настоящее время,как правило, на станках с ЧПУ. При наличии в форме большого количестваодинаковых гнезд можно использовать «мастер-штамп» из высокопрочной стали,выдавливающий в форме необходимые углубления под высоким давлением. Чтобы подобныйштамп образовал в форме требуемое углубление, требуется около 1 ч, но затополости при этом оказываются идентичными. Электроискровая обработка вбольшинстве формовочных цехов производится по меньшей мере как частьтехнологического процесса изготовления форм. Данный вид обработки приемлем дляподгонки и получения матовой поверхности формы и уменьшения заусенцев (особеннопри сложной конфигурации). Путем соединения лицевых частей в таком оборудованииподгонку можно произвести очень точно. Данный метод используется также длячерновой обработки поверхности полости; по окончании обработки, благодарявысокой точности метода, требуется лишь небольшая полировка.
Излитьевых форм должен быть предусмотрен отвод воздуха. Соответствующиевентиляционные каналы представляют собой пазы шириной примерно 13 мм и глубиной около 0,4 мм. Формы обычно изготовляют из инструментальной стали, но иногдаэкспериментальные формы изготовляют из медно-бериллиевого сплава, так как онидешевле, их проще менять и ремонтировать при помощи дуговой сварки. Они такжеболее теплопроводны, что ускоряет технологический процесс. Медно-бериллиевыйсплав мягче стали, и поэтому требуется утолщение боковых стенок формы.
/>
Рис.3.Успешное использование литья под давлением зависит от правильной конструкцииформуемого изделия:
а)поднутрения(углублений) следует по возможности избегать, так как могут возникнутьтрудности с извлечением готового изделия из формы.
Воизбежание этого матрица должна выступать поверх формуемой детали дляформирования необходимой выемки, как показано справа внизу; 6) следуетпредусматривать одинаковую толщину стенок, устраивая полости в массивныхучастках, что позволит сократить издержки и избежать образования раковин вготовом изделии; в) ребра должны составлять не менее половины толщиныприлегающих к ним стенок, что позволит избежать появления раковин при усадкематериала; по тем же причинам расстояние между соседними ребрами не должно бытьменьше толщины стенки I;следуетизбегать острых углов, причем радиус скругления должен быть не менее четвертитолщины прилегающей стенки; г) чтобы минимизировать сопротивление потокурасплава, впуск должен находиться в наиболее тонкой части формуемого изделия;во избежание образования наслоений (пластов) в готовом изделии расплав,поступающий в форму, должен отражаться от отдельных частей формы; Э) разница втолщине отдельных участков изделия может привести к короблению из-за разнойусадки одного участка по сравнению с другим; е) отверстия должны располагатьсядруг от друга или от кромки изделия на расстоянии не менее диаметра отверстия;толщина стенок обрамления отверстия должна быть не менее диаметра отверстия; ж)отверстия не должны находиться непосредственно напротив впуска, так как этоможет привести к образованию стыковых швов и слабому соединению слоевматериала; з) неусиленные шпильки длиннее 2,5 диаметра могут быть согнутыдавлением расплава; и) следует избегать острых углов; для более легкогоизвлечения готового изделия из формы предпочтительна конусность не менее 2°; воизбежание вытекания расплава из гнезда впуск должен быть по возможностиутоплен; выталкивающие стержни, которые могут повредить декоративнуюповерхность, должны быть расположены в другом месте; к) для уменьшенияколичества проблем при стыковке комплектующих изделий линия разъема формыдолжна быть по возможности плоской на всем протяжении.Его применяют в качествевставок в стальные формы для ускорения теплопередачи, поскольку еготеплопроводность в 10 раз превосходит теплопроводность стали. Так как данныйсплав не очень хорошо противостоит абразивному износу, его не следует применятьв устройствах смыкания форм.
Стоимостьизделий, изготовленных литьем под давлением, может быть примерно оценена помассе модели или расчетом массы по масштабированным чертежам, используяизвестную стоимость 1 кг пластика. К этому добавляют коэффициент на машинноевремя, обычно равный стоимости материала (или больше, если деталь мала илиимеет сложную конфигурацию). Следует учитывать также износ форм (период ихамортизации составляет обычно 2-3 года). Если стоимость форм не известна, длягрубой оценки следует добавить четверть стоимости материала и еще столько же —на упаковку и транспортирование. Например, стоимость материала на изготовлениелитьем под давлением полипропиленовой чашки для молока массой 21,3 г составляет около 2 центов. Добавив еще 2 цента на машинное время, полцента — на амортизациюформ и еще полцента — на упаковку и транспортирование, получим общую стоимостьданной детали — 5 центов.
Спецификацияформ
Важнымфактором в проектировании деталей упаковки, изготовляемых литьем под давлением,является спецификация оборудования. Хотя зачастую этот вопрос оставляетсярешать другим, инженер-упаковщик все-таки должен немного подумать о различныхаспектах изготовления форм еще в процессе разработки упаковки. Если предполагаетсяизготовление большого количества изделий, относительная стоимость форм идругого вспомогательного оборудования будет невелика, и в этом случае можнорассчитывать, что для больших объемов продукции наиболее дешевыми окажутсясамые лучшие формы. Для небольших же объемов производства стоимость формсущественно сказывается на цене изделий, и здесь необходимо рассмотреть всеимеющиеся варианты. Например, некоторые детали могут быть изготовлены какметодом литья под давлением, так и методом термоформования, и выбор между нимидолжен делаться исходя из экономических соображений. Оборудование и оснасткадля термоформования намного дешевле, чем для для литья под давлением, однакостоимость одного изделия может быть выше из-за большого количества отходов ицены экструдированных листов.
Крометого, существует вопрос, кто и где будет проводить формование. Термоформованиеобычно выполняется на предприятии, где продукция упаковывается, на относительнонедорогом оборудовании. Более сложное литье под давлением обычно выполняетсявне предприятия, и в этом случае необходимо как можно раньше выбрать поставщикаи в процессе выработки конструкции упаковки работать с ним в тесном контакте. Споставщиком желательно заключить соглашение о конфиденциальности, патентной чистоте,собственности на оборудование и инструменты, стоимости разработки и о многиханалогичных деталях. Гораздо проще определить эти моменты вначале, чем пытатьсяприйти к соглашению тогда, когда уже было затрачено много времени и средств.Ниже приведены основные моменты, которые желательно определить вместе споставщиком.
•Оборудование: примерная стоимость, право собственности, его замена (обычно30%), срок эксплуатации, условия платежа.
• Деталиупаковки: примерная стоимость, порядок утверждения, даты поставки.
• Патентнаячистота: стоимость и платежи за пользование патентом, защита отмошенничества,соглашения о конфиденциальности.
• Изготовлениеформ: количество гнезд, резервные формы, примерная стоимость, условия платежа,право собственности, срок эксплуатации, технический уходи обслуживание, порядокрекламации, пригодность к работе на других литьевыхмашинах (конкурентных),эксклюзивное использование, страхование, стоимость замены.
• Контролькачества: допуски на коробление, порядок проверки образцов, стоимостьсортировки изделий, методы оценки качества, потери при сборке.
• Упаковкаи транспортирование: перепоставка, недопоставка и методы их оценки.
1.2Компрессионное формование
Прессованиев производстве упаковки, когда-то использовавшееся в основном для производстварезьбовых пластмассовых пробок, в настоящее время практически везде замененолитьем под давлением. Тем не менее некоторые надежды на возрождениепроизводства изделий из термоактивных пластиков дает упаковка, предназначеннаядля разогрева в микроволновых печах. Она сначала начала применяться дляупаковки обедов на авиалиниях, а затем — для изготовления лотков из полиэфирныхтермореактивных стекловидных пластиков, разработанных специально дляиспользования в СВЧ- или конвекционных печах для замороженных пищевыхпродуктов.
Технологияпрессования проста, а затраты на оснастку невелики. Пресс-формы обычноизготовляют из стали, однако сам процесс достаточно медленный. Время наразогрев и отверждение в форме составляет в среднем от 0,5 до 1 мин/мм илиболее (в зависимости от толщины изделия), и при данном способе малы отходыпроизводства и износ пресс-форм. Изделия, полученные этим методом, отличаютсяхорошей теплостойкостью и стабильностью размеров.
Припрессовании пресс-форму нагревают до температуры примерно 149 °С, игранулированный материал с небольшим запасом помещают в форму. Излишкиматериала выдавливаются в процессе смыкания пресс-формы и удаляются в ходеследующей операции (рис.5). Работа осуществляется под давлением около 25 МПа. Затемизделие извлекают из пресс-формы, а остатки облоя удаляются в устройстве свращающимся барабаном, предназначенным специально для этой цели.
/>
Рис.5При прессовании пресс-материал с небольшим запасом помещается в разогретуюформу. Когда пресс-форма смыкается под большим давлением, излишек выдавливаетсяв виде облоя и должен быть впоследствии удален.
Прессованныеизделия из ФФС в течение нескольких часов после извлечения из пресс-формыподвергаются некоторой усадке. Фактически незначительная усадка продолжается втечение нескольких месяцев, но это имеет значение только для деталей, оченьплотно прилегающих друг к другу. При необходимости стабилизировать усадку можноприменить отжиг изделия, который устраняет все последующие изменения размеров.Выдержка типичного изделия из фенопласта в течение 8 ч при температуре 176,7 0Сдает усадку около 5 мкм/мм.
Пластмассаотверждается около 1 мин, форма открывается и готовое изделие удаляется изформы.
Обычноиспользуемые при прессовании материалы — это фено- или аминопласты на основеФФС и КФС соответственно, которые отверждаются под действием тепла. Какправило, к смолам для улучшения их технологических свойств и прочности, а такжедля удешевления добавляют наполнители, которыми могут служить древесная мука,асбест, графит, текстильная крошка, слюда, сизаль, бумага, синтетические илистеклянные волокна или другие аналогичные материалы. Крышки из реакто-пластовдороже металлических, но по внешнему виду они лучше подходят к упаковкефармацевтических и косметических товаров.1.3 Ротационное формование
Дляпроизводства небольшого количества крупногабаритных изделий, где важна стоимостьпресс-форм, или при разработке новой упаковки контейнерного типа, где изменениядолжны быть сделаны быстро и с небольшими затратами, лучше всего подходитротационное формование.
/>
Рис.8.22. При ротационном формовании, напоминающем процесс изготовления пустотелыхшоколадных зайцев, порошкообразный полимер загружается в холодную форму,которая в печи начинает вращаться в двух плоскостях и разогревается. Поддействием центробежной силы расплавленный полимер равномерным слоем покрываетповерхность формы, образуя готовое изделие.
Данныйметод, иногда называемый ротационным литьем, позволяет получать пустотелыеизделия однородной толщины фактически без швов и без внутренних напряжений,возникающих в случае применения традиционного формования или термоформования. Виндустрии упаковки ротационное формование применяется, как правило, дляизготовления больших контейнеров типа бочек и бутылей, а также пластмассовыхподдонов (паллет). Минимальная толщина стенки для подобных изделий составляетоколо 0,8 мм. Формы для ротационного формования дешевле, чем для литья поддавлением, и немного дороже, чем для термоформования. Затраты на материалыиз-за использовании в ротационном формовании порошковых или жидких смесей болеевысоки, чем при использовании гранулированного материала при литье поддавлением, ниже и производительность в расчете на одну форму. Вместе с тем поданной технологии можно получить полое изделие практически любой формы. Изделияс двойными стенками, сложные изделия, вставки — все это может быть выполнено сиспользованием ротационного формования, и поэтому в настоящее время оноявляется одним из наиболее быстро развивающихся методов изготовления изделий изполимеров, применение которого увеличивается на 25-30% в год.
Первымиматериалами для ротационного формования были поливинилхлоридные пластизоли,позднее стали применяться полиуретаны. В настоящее время в основном используютПЭ, хотя применяются и другие термопласты — ПЭТФ, ПП, ПВХ, ПК и полиамиды.
Потакой технологии дозированное количество хорошо измельченного в порошокполимера вручную помещается в форму, которая установлена на валу, с помощьюкоторого она помещается в печь. В печи она разогревается горячим воздухом до260 «С, причем форма вращается в двух плоскостях так, что ее внутренняяповерхность покрывается тонким равномерным слоем расплавленного полимера(рис.6).
Повозможности форму следует располагать как можно ближе к осям вращения, чтобыцентробежные силы не вызвали слишком большого изменения толщины слоя расплава.Скорость вращения формы составляет около 12 об./мин вокруг большой оси и около3 об./мин — вокруг малой. Более высокие скорости обычно используются для того,чтобы расплав мог заполнить небольшие углубления формы. Как правило, дляразогрева полимера внутри формы требуется только 10 мин, при этом расплавравномерно покрывает стенки; затем форма перемещается в камеру охлаждения, гдеона охлаждается путем орошения холодной водой, и полимер затвердевает. Можеттакже использоваться холодный воздух в сочетании с орошением водой (или безнего).
Формыснабжены вентиляционными каналами, чтобы во время формования в них неповышалось давление, хотя небольшое давление иногда необходимо для обеспеченияконтакта полимера с поверхностью формы. По мере охлаждения плоские поверхностиимеют тенденцию отставать от формы, чего следует избегать. Такая усадка частонаблюдается, если форма охлаждается слишком быстро, вследствие чего возникаеткоробление и увеличивается хрупкость изделия.
Оборудованиедля ротационного формования весьма разнообразно — от простых устройств типастаканов с одной осью вращения, служащих, как правило для изготовления емкостейс открытой горловиной из смесей жидкости и порошка, до карусельных систем сбольшим количеством форм, служащих для изготовления небольших изделий, иличелночного оборудования для изготовления крупногабаритных изделий. Некотороеоборудование, как показано на рис.6, оснащено встроенными циркуляционнымисистемами масляного разогрева и охлаждения форм, снабженных терморубашкой, такчто отпадает необходимость в печи. Сами формы изготовляют из стали, но дляполучения небольших изделий иногда применяют алюминиевые или медно-никелевыеформы.
Последниеразработки позволили применять предварительно окрашенные полимеры, которыемогут быть использованы в качестве декоративных слоев для вторичных пластмасс ипены. Впрыск полимерной пены между твердыми стенками придает крупногабаритнымизделиям прочность и жесткость. Различные декоративные элементы типа этикеток,получаемые непосредственно в процессе формования, могут создать элементыотделки, устойчивые к истиранию и износу.
1.3Раздувное формование
Историяраздувного формования ведет свое начало с 1930-х гг., когда с помощью этойтехнологии изготовлялись детские погремушки, куклы и шарики для пинг-понга.Если же заглянуть в глубь веков, то мы обнаружим, что еще в Древнем Египтераздувом изготавливали изделия из древесной смолы, которая, затвердевая,превращалась в янтарь.
Практическоеприменение формования раздувом началось с тех пор, как в 1937 г. Фернгрен и Копитке соединили экструзию с формованием раздувом и продали свою идею HartfordЕтpire Сотрапу. Длядальнейшего совершенствования этой технологии была создана корпорация Plахподруководством Джеймса Бэйли. Во время второй мировой войны на рынке появилсяПЭНП, который оказался пригоден и для этой технологии. Вскоре ее сталиприменять и другие фирмы, разрабатывая свое оборудование и формуя мягкиебутылки. Такое оборудование долгое время являлось коммерческой тайной, и тольков начале 1958 г. оно стало доступным на рынке. Одним из первых видов тары дляпродаваемых в розничной торговле продуктов стала мягкая бутылочка длядезодоранта Stopette; появившисьна рынке в начале 1947 г., эта упаковка пользовалась большой популярностью.
В 1957 г. внимание производителей бутылок было привлечено к технологиипроизводства ПЭВП при низком давлении. В 1959 г. уже пять фирм стали производить из него бутылки для моющих средств. В настоящее время более 350фирм-изготовителей ежегодно выпускают более 9 млрд единиц пластиковой тарыметодом выдувного формования.
Наиболеешироко используемый материал для бутылок — это ПЭВП, стоимость которого посравнению с ПЭНП незначительно колеблется в обе стороны и зависит от егодоступности на рынке, но он отличается большей жесткостью и меньшейвлагопроницаемостью. Благодаря своей жесткости ПЭВП позволяет делать стенкибутылок более тонкими, что уменьшает цену изделия. ПЭНП используется там, гдетребуется повышенная прозрачность и мягкость бутылки.
ПЭТФ— это наиболее быстро прогрессирующий на рынке материал для изготовленияпластиковых бутылок (прежде всего для безалкогольных напитков и питьевой воды,особенно объемом более 1,5 л). Изготовление таких емкостей потребовалоразработки специальной технологии для достижения требуемой жесткости иударопрочности. При этой технологии преформу (заготовку) экструдируют илиформуют с применением литья под давлением, затем охлаждают до температурывытяжки, находящейся в диапазоне от температуры стеклования (68,2 °С) до температурыплавления (218,3 °С). Формовочный стержень формы вытягивает преформу впродольном направлении, а давление воздуха раздувает заготовку в поперечномнаправлении до контакта со стеками полости формы. В зависимости от размерабутылки 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.
Следующийпо важности материал для выдувного формования — это ПП, характеризующийсявысокой стойкостью к растрескиванию и который, следовательно, можетиспользоваться в контакте с агрессивными жидкостями, разрушающими упаковку изПЭВП. Около двух третей общего объема выпуска этого полимера используется дляупаковки потребительских товаров; из них около половины используется дляфармацевтических изделий, где наибольшее количество приходится на изготовлениенебольших контейнеров методом экструзии с раздувом. Высокая прочность позволяетПП использоваться для изготовления более крупных контейнеров емкостью донескольких галлонов. Для раздувного формования чаще всего применяютстатистические сополимеры, поскольку они увеличивают его ударопрочность принизких температурах. В ходе модернизированного метода раздувного формования ПП(так называемого Orbet-процесса,разработанного в PhillipsPetroleum Со.) полимерпо мере раздува двухосно ориентируется, что обеспечивает отличную прозрачность,существенно повышает предел прочности на разрыв и ударопрочность, а такжепридает ему лучшие барьерные свойства по сравнению с неориентированным ПП.Растущей доле ПП на рынке способствуют также осветляющие добавки.
Несмотряна выступления защитников окружающей среды, третье место среди пластиков дляизготовления бутылок удерживает ПВХ. У него хорошая ударопрочность, онотносительно дешев и может быть совершенно прозрачным и бесцветным. Посравнению с ПЭВП кислородопроницаемость ПВХ составляет лишь одну пятнадцатую,что позволяет применять ПВХ для упаковки косметических товаров и шампуней,чувствительных к окислению.
ПВХустойчив к маслам и большинству органических растворителей. Стойкость кдействию нефтепродуктов у него высока, что делает этот материал подходящим дляупаковки бытовых чистящих средств. С ПВХ совместимы даже жидкости для заправкизажигалок. 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, аиз-за того, что ПВХ имеет глянцевую поверхность, царапины на нем более заметны,чем на другом бутылочном пластике.
ПреждеПВХ было трудно перерабатывать на литьевых машинах из-за его деструкции принагревании. По этой причине должна соблюдаться идеальная чистота, а самооборудование следует проектировать «без карманов», в которых полимер мог бызадерживаться. Между критической температурой термодеструкции в 238 °С итемпературой переработки в 204 °С разница невелика. Рекомендуется, чтобы послетого как бутылки простоят сутки заполненными соответствующим продуктом, онибыли подвергнуты вибротесту и испытанию на сбрасывание. Кроме того, из-заповышения хрупкости при низких температурах желательно, чтобы испытание насбрасывание проводилось и при температуре в минус 17,8 °С, и при нормальнойтемпературе окружающей среды. Усадка три низких температурах у ПВХ невелика,однако этот материал обладает эффектом памяти на деформацию, и стенки упаковкимогут сжиматься, если изделие не было тщательно охлаждено перед извлечением изформы.
Коммерческоеприменение других материалов не настолько обширно, но они могут использоватьсяв специальных целях. ПК, например, обладают большой прочностью, отличнойпрозрачностью и хорошей стойкостью к маслам, отсутствием запаха или вкуса,изделия из него можно стерилизовать паром. Некоторые виды ПК одобрены FDAдляконтакта с пищевыми продуктами. Самый большой его недостаток — это довольновысокая стоимость, но если бутылки из ПК являются возвратными или тара должнабыть особо прочной, то ПК вполне могут оказаться незаменимым материалом.
Припереработке ПК следует особо тщательно контролировать температуру, так как отнее существенно зависит вязкость расплава. Бутылки из ПК могут быть поврежденыщелочными моющими растворами, и для них необходимы специальные моющие средства.
Ещеодним пластиком, используемым в небольших количествах для изготовления бутылок,является ПС. Очень прозрачный и жесткий, он очень напоминает стекло. Этотполимер очень хрупок, но при применении для его получения металлоценовых катализаторовего можно упрочнить. ПС-преформы могут быть изготовлены с помощью литья поддавлением и отформованы в бутылки с помощью сжатого воздуха при практическибезотходном производстве. Данный материал характеризуется удовлетворительнымибарьерными свойствами относительно водяного пара и газов, но он растворяетсясложными эфирами и кетонами, содержащимися в эфирных маслах. Передиспользованием этого материала для изготовления бутылок настоятельнорекомендуется проводить тщательные испытания.
1.4Экструзионно-раздувное формование
Изтрех методов раздувного формования, применяемых для изготовления упаковки,наиболее широко используется метод, называемый «экструзионное формование сраздувом». Он заключается в экструзии трубки, называемой «преформа», в нижнемнаправлении. Когда она достигает нужной длины, разведенные половинки пресс-формы,окружающие заготовку, смыкаются, обрезая и замыкая дно, и остается только каналвверху для подвода сжатого воздуха, с помощью которого в дальнейшем и формуетсяизделие (рис. 7).
/>
Рис7. Приформовании раздувом полуформы смыкаются вокруг преформы; при движении вниз вразогретую и пластичную заготовку подается воздух, выдувая изделие, котороепосле формования извлекается из формы; последняя снова перемещается вверх изахватывает новую преформу.
Притакой технологии форма для получения последовательно экструдируемых иреформможет быть стационарной, а процесс раздува может происходить на одном блоке. Возможнаи непрерывная экструзия преформ, если форма при подъеме захватывает преформу, азатем опускается для формования раздувом. Непрерывно экст-рудируемые преформымогут также захватываться формами, смонтированными сбоку, челнок которых,совершая возвратно-поступательные движения, захватывает преформу, которая затемвыдувается, и готовое изделие извлекается практически без остановки. Этотскоростной процесс особенно подходит для изготовления изделий из ПВХ, причемего температура должна жестко контролироваться во избежание разложения иизменения цвета материала (рис. 8).
/>
Дляувеличения выпуска продукции при использовании непрерывной экструзии преформсуществует специальное оборудование, в котором на карусели установленомножество 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 необходимовремя, такое оборудование целесообразно использовать для изготовления большихсерий изделий одинакового размера (в частности, для крупномасштабногопроизводства пластиковых бутылок). В оборудовании подобного типа пластиковыебутылки обычно отделяются от непрерывных преформ после охлаждения и раскрытияформ.
Дляполучения преформ, из которых изготовляют изделия методом раздува, используютсядва типа шнековых машин, аналогичных применяемым для литья под давлением. Дляизготовления небольших контейнеров используют машины со шнекамивозвратно-поступательного действия и двухшнековые машины (рис. 9). Они снабженывторичным накопителем и поршнем для порционного выдавливания преформ.Экструдеры с накапливающей головкой и плунжерной подачей применяются дляизготовления больших контейнеров, включая пластиковые бочки.
Всеголовки экструдеров могут быть оснащены устройствами программирования преформ.В обычных головках расположение дорна внутри головки экструдера для полученияодинаковой структуры стенок преформы фиксируется. В программируемых головкахдля регулирования толщины стенок преформы положение дорна может регулироваться(рис.10). Это позволяет изменять толщину стенки заготовки по длине — больше восновании изделия (для прочности), больше в тех местах, где материал долженраздуваться сильнее, и меньше там, где тонкие и небольшие участки не требуютбольшого количества материала. В реальном процессе формования теплый мягкийпластик растягивается под действием сжатого воздуха и принимает форму готовогоизделия (см. рис. 7).
/>
Рис.9. В машинах, используемых для инжекционного и выдувного формования, для нагревания,плавления пластмассовых гранул и перемешивания материала используются шнеки.
Приэкструзионном формовании с раздувом на нижней части готового изделия хватаетсянебольшой «хвост», который должен удаляться. Раньше горловины готовых бутылокдля приведения в соответствие их размеров подвергали механической обработке. Внастоящее время большая часть раздувных агрегатов автоматически заполняетоперации по снятию облоя с готовых изделий непосредственно на них, и формованиегорлышка происходит в форме совместными усилиями инъекционной иглы и формующегогорлышко кольца. Транспортные контейнеры и емкости с широким горлышкомпо-прежнему проходят заключительные этапы обработки на дополнительных обрезныхпрессах для снятия заусенцев.
/>
Рис.10. Для соблюдения геометрической формы контейнера возможно применение программируемыхпреформ, что позволяет увеличивать прочность в необходимых местах и минимизироватьутонение в углах.
Экструзионноеформование с раздувом больше всего подходит для изготовления пластиковыхконтейнеров любой формы и размеров и транспортной тары. Формы относительнодешевы и зачастую их изготовляют из алюминия (как для крупно-, так и длямелкосерийной продукции).
1.5Инжекционное формование с раздувом
Ещеодин метод формования — это двух- или трехступенчатый процесс, в которомпреформа изготовляется методом литья под давлением (вместо экструзии) ипереносится на формовочном стержне в узел раздува. Ранние двухступенчатыесистемы формования были крайне неудобны, так как в процессе съема готовогоизделия останавливались две формовочные станции. В 1961 г. итальянец Гуссони для ускорения этого процесса добавил третий узел для извлечения готовыхизделий, и в таком виде подобные устройства используются и в настоящее время.Иногда для кондиционирования пластиковых бутылок, их контроля и/илидекорирования применяют какие-либо дополнительные узлы. В последнее время разработаныметоды формования бутылок без образования облоя, позволяющие создавать болеепривлекательные по внешнему виду флаконы для парфюмерных и косметическихтоваров.
Похожаятехнология, называемая «формование с раздувом и перемещением заготовки», заключаетсяв помещении дозированного количества пластикового расплава в специальныйконтейнер для получения преформ и переносе полученной заготовки с помощьюформовочного стержня в зону формования горлышка для последующего раздува. Этатехнология применяется для изготовления небольших бутылочек и емкостей, гденеобходимы особо точные размеры. Использование инжекционного формования находитсвое применение в области упаковки фармацевтической продукции, где необходимыконтейнеры высокого качества и с точными размерами.
Инжекционнаятехнология позволяет обеспечить высокую точность и контроль массы, особенно приформовании горловины с допусками ± 102,6 мкм. Это важно там, где используютсяпробки или другой вид специального укупоривания, например пробки с защитой от несанкционированногооткрывания (в частности, детьми). В настоящее время емкости могут бытьизготовлены без облоя и без дополнительных заключительных операций, однакостоимость форм для такой технологии достаточно высока. Форма изделий,получаемых по технологии инжекционного формования, обычно стандартна, а ихемкость не должна превышать 236,6 мл, хотя в последнее время получаютраспространение бутылки и емкостью 473 мл (16 унций).
1.6Формование с раздувом и вытяжкой
Третийметод формования может быть использован для полимеров, способных к линейнойориентации, — например, ПЭТФ, ПВХ, ПП и аморфных полиамидов. Наибольшееприменение этот метод находит при изготовлении бутылок для напитков. При егоиспользовании предварительно отформованная преформа разогревается дотемпературы чуть выше температуры стеклования (во избежание кристаллизации) ирастягивается, ориентируется, а в дальнейшем выдувается по одно- илидвухступенчатой технологии.
Придвухступенчатой технологии преформы изготовляют отдельно (обычно на другомоборудовании) и уже готовыми помещают в машину повторного нагрева и выдува. Приодноступенчатой технологии все эти процессы выполняются на одной и той желинии. Операции формования преформы и ее раздува схожи с аналогичными приэкструзионном формовании с раздувом. Преимущества раздува с вытяжкойзаключаются в повышении прозрачности материала, глянца, ударопрочности иплотности. Этот метод позволяет также производить емкости с очень тонкимистенками, что снижает стоимость упаковки.
Особоеприменение формования с раздувом — это изготовление стерильной упаковки, в ходекоторого этапы раздува, заполнения и герметизации упаковки сводятся в однуоперацию. При этом все последовательные операции производятся в стерильнойкамере, где упаковка (иногда находящаяся еще в форме) заполняетсяпредварительно стерилизованным жидким продуктом. Герметизация упаковкипроизводится разогретым штампом, который является или частью формовочногоустройства, или отдельным укупорочным приспособлением, формующим иприсоединяющим пробку типа твист-офф (открываемую поворотом на четвертьоборота). При другой технологии изготовления стерильной упаковки емкостьформуется обычным образом в стерильных условиях, заполняется предварительностерилизованным продуктом и закрывается предварительно стерилизованной пробкой(крышкой). Как правило, конструкция такого оборудования отражает жесткиетребования к стерильности. Оно изготовляется из нержавеющей стали ипроектируется так, чтобы обеспечить изначальную стерильность и возможностьбезразборной мойки (СIР)с помощью моющих средств и пара.
Конструкцияформ
Дванаиболее важных фактора, которые следует иметь в виду при изготовлении форм длявыдувного формования, — это теплообменные свойства и износостойкость. Наиболееподходящие материалы — алюминий, сталь и сплав бериллия с медью. Выборматериала зависит от технологии выдувного формования и природы пластика. Так,например, для работы с полиолефинами наиболее часто используются алюминиевыеформы, подвергнутые дробеструйной обработке во избежание задержки воздуха междустенками полости изделия.
Твердый,устойчивый к коррозии сплав бериллия с медью характеризуется высокимитеплопроводностью и износостойкостью. Формы из этого материала часто используютдля формования изделий из ЛВХ. Для получения более высокого глянца поверхностиизделий формы для ПВХ полируют и покрывают хромом. Этот сплав дороже алюминия,он тяжелее и дольше обрабатывается.
Приинжекционном формовании с раздувом полости для преформ, полости для формованияжестких полимеров, горловинные кольца и формовочные стержни для всех видовпластиков изготовляют из закаленной инструментальной стали.
Участкиформы для формирования горловины и основания, чтобы их было легче обрабатыватьи заменять, как правило, представляют собой отдельные детали. Полуформы должныбыть точно подогнаны друг к другу, так как любое несовпадение половинокприведет к утонению материала в месте соединения частей формы. Усилие запиранияполуформ значительно меньше, чем форм для литья под давлением, поскольку онидолжны выдерживать давление в полостях лишь около 0,035 МПа.
Дляобеспечения кратчайшего производственного цикла и одинакового состоянияповерхности готового изделия необходимо соответствующее охлаждение формы.Водяные каналы в каждой полуформе могут быть либо просверлены насквозь, либозаглублены и располагаться перпендикулярно к оси формы как можно ближе друг кдругу, поскольку 80% общего времени формования тратится на охлаждение, и любоеулучшение системы охлаждения способствует повышению производительности.
Таккак отформованное изделие обычно охлаждается в самой форме, были разработаныспособы сокращения времени охлаждения и преодоления недостаточнойтеплопроводности большинства пластиков. Одним из таких способов сталоприменение в качестве раздувающего агента жидкого азота или диоксида углерода,а другим — глубоко охлажденного воздуха, содержащего водяной пар. Прииспользовании подобных методов производительность возрастает более чем на 50%.
1.7Термоформование
Различныетипы термоформованной упаковки включают упаковку продукта, находящегося натвердой подложке, в обволакивающую пленку, блистерную упаковку и формованныеконтейнеры и крышки. Общим для них является то, что изначально все онипредставляют собой плоский лист пластика или пленку. Этот материал нагреваетсядо размягчения и затем доводится до нужной формы под действием вакуума,давления или штампа или их комбинации. С помощью термоформования можно получитьупаковку с максимально тонкими стенками (и поэтому затраты на материалы дляподобной упаковки сравнительно низки), но большие потери из-за отходов внекоторой степени сводят на нет экономические преимущества. Формы длятермоформования гораздо дешевле, чем для других методов (их стоимость взависимости от конфигурации может составлять $1000-2000). Время, затрачиваемоена наладку оборудования, составляет несколько недель (в сравнении с месяцами,требуемыми на наладку оборудования для выдувного формования или литья поддавлением).
Процесснагревания и формования пластиковых листов был разработан в 1936 г… когда во Франции для упаковки мяса впервые была использована термоусадочная пленка. В ходевторой мировой войны этот метод применялся для изготовления пластиковыхтопографических карт. Для упаковки этот метод стал широко использоваться лишь сначала 1960-х гг., когда впервые с помощью термоформования стали изготовлятьсяконтейнеры и крышки для молочных продуктов. Позднее при производстве коробокдля яиц, мясопродуктов и т. п. стали применяться листы из пенополистирола. Внастоящее время в этих целях в мире потребляется более 900 тыс. т листовыхпластиков.
Длятермоформования можно использовать любые листовые термопласты, однако былозамечено, что одни материалы более полно соответствуют нуждам упаковочной промышленности,чем другие (из-за различий в прозрачности, запахе, технологическиххарактеристиках и цене — см. табл. 8.2). Наиболее широко используются (впорядке убывания) ПВХ, ВОПЭ, ПС, ПП, ПЭТФ и ЛПЭНП.
Лидируетв этом списке полужесткий ПВХ, широко применяемый в упаковке пищевых продуктовблагодаря своей прозрачности и влагонепроницаемости, которые могут бытьдополнительно улучшены путем применения полиэтиленового слоя или материала случшими барьерными свойствами (большей кислородоне-
проницаемостью).Этот материал позволяет формовать такие же прочные и защищенные емкости (чашки)и лотки, как и ВОПЭ, а благодаря своей инертности и отсутствию запаха ониспользуется для упаковки и пищевых, и непищевых продуктов. Широко применяетсяи ПП, используемый для упаковки некоторых пищевых продуктов. Он легкоперерабатывается и на него можно наносить глубокую печать. ПЭТФ, противостоящийтепловому воздействию лучше, чем полиолефины, применяется для изготовлениядвойной упаковки продуктов, разогреваемых в микроволновых печах, и продуктовбыстрого приготовления. Блистеры для упаковки твердых изделий — это областьприменения высокоударопрочного ПС, который благодаря своей прозрачностипозволяет видеть упакованный продукт, хорошо перерабатывается, прочен иэкономичен. Другие материалы, в частности АБС-сополимеры и ПК, применяются вособых случаях, когда прочность более важна, чем стоимость.
Технологиятермоформования
Основнойспособ термоформования представляет собой вытягивание пластикового листа враме, зажимающей его со всех сторон. Лист разогревается до размягчения, а затемпод действием разрежения прижимается к форме. После охлаждения он отстает отформы, вынимается из нее и обрезается. Для опытно-конструкторских работ, когдав качестве материала иногда выбирают ацетат целлюлозы (в данном случаетемпература может регулироваться не так строго, а прочность материала вразмягченном состоянии достаточно велика), применяют несложное оборудование.Нагрев может производиться как с одной, так и с обеих сторон листа, и при ручномуправлении размягчение листа заметно по его провисанию. Затем пластикподвергается дальнейшему нагреву до достижения идеально плоской поверхности. Вэтот момент он уже почти готов к формованию, но обычно до приложения разрежениялучше выдержать его в этом состоянии еще 15-20 с.
Оборудованиедля крупносерийного производства намного сложнее. Для производства упаковочныхконтейнеров листовой материал обычно хранят в рулонах и подают в установку спомощью цепного привода с зажимами, захватывающими края листа. Существует иоборудование (обычно роторного типа) для работы с листовым материалом безцепного привода, но оно в основном применяется не в упаковочной индустрии.
Листпластика разогревается с обеих сторон кварцевыми лампами, трубчатыми стальнымистержнями, стеклянными и керамическими пластинами (излучателями). Большоезначение имеет расположение нагревателей, так как поверхность пластика должнанагреваться равномерно. Затем разогретая пластиковая лента размещается надформой(ами) и воспроизводит ее полость методом, описанным выше. Некоторыематериалы (например, пористые или пеноматериалы) требуют специальных форм,поскольку по мере нагрева материал продолжает расширяться, и для соблюдениятребуемой формы требуется четкое соответствие между двумя частями формы(пуансоном и матрицей).
Существуютматериалы, которые могут быть нагреты путем присасывания (с помощью вакуума) кпористой горячей пластине так, что края формы вдавливаются в пластик. Такаятехнология называется «формование с помощью захвата листа». После размягченияпластика прикладывается давление воздуха, и лист прижимается к поверхностиформы.
Формованиес совместным приложением давления и разрежения происходит намного быстрее, чемпросто вакуумное формование, так как последнее для выполнения операцииограничено атмосферным давлением в 0,1 МПа, тогда как давление сжатого воздухаможет быть в несколько раз больше. Почти все высокопроизводительные формовочныемашины — пневмоформочные. Для ускорения охлаждения после формования изделия вформе оно может обдуваться холодным воздухом (некоторые специалисты считают,что распыление водяного пара эффективнее воздушного охлаждения). Затем изделиеудаляется из формы путем продува последней воздухом или с помощьювыталкивателей. Рулон остается на зажимах и транспортируется к следующему узлуформования. Изделие отсекается от рулона с помощью специальных устройств.Параметры отрезания должны учитывать последующую усадку, так как изделие всееще разогрето. Затем оставшийся материал наматывается на бобину, а отформованноеизделие отправляется на упаковочный автомат или на следующий технологическийблок. В фирмах, производящих термоформование, отходы материала обычно сразу жеиспользуются повторно, причем эти фирмы обычно принимают отходы на утилизацию иот предприятий, упаковывающих продукцию.
Блистерныеупаковки, подобные изготовленным по вышеописанной технологии вспециализированных фирмах, зачастую используются упаковщиками для размещениятоваров на витринах магазинов (рис.12). Отформованные таким образом емкости применяютсядля упаковки твердых, вязкоэластичных и жидких продуктов (в основном пищевых),а лотки с ячейками используются для упаковывания инструмента, различных наборови медицинских товаров. Существует специальное линейное и карусельноеоборудование с устройствами подачи, дозирования и укупоривания подобныхконтейнеров термоклеевыми или обжимными пластиковыми крышками.
/>
Рис.12. Методы присоединения прозрачного блистера к декорированной подложкевключают: а) нанесение буртика из термоклея; б) сгибание подложки с просечкойотверстия для блистера; в) размещение продукта (продукт размещается внутриблистера, который, складываясь, фиксируется на подложке); г) формированиедвойного блистера на согнутой подложке (продукт выглядит плавающим впространстве); д) двойную внутреннюю выточку (выемки в подложке служат частьюуплотнения); е) формирование блистера с загнутыми краями, служащими в качественаправляющих для обеспечении скольжения подложки (способствующего болеепростому открытию упаковки и ее многократному использованию)
Вместес тем подобная блистерная упаковка может изготовляться непосредственно наформовочно-упаковочных линиях твердых, вязкоэластичных и жидких продуктов, какпищевых, так и непищевых, включая лекарства. Этот тип машин работает, какправило, с узкой рулонной пленкой или листами пластика, ширина которогопозволяет формовать от одной до четырех или более упаковок округлой или (чаще)многоугольной формы (что сокращает отходы). Лист пластика разогревают одним извышеуказанных способов, в отформованные лотки дозируют продукт, после чего онигерметизируются пластиковой пленкой. Готовая упаковка с продуктом затем вырубаетсяиз пластиковой пленки, отходы которой возвращаются поставщику. Подобноеоборудование может быть периодического или непрерывного действия в зависимостиот объемов выпуска продукции.
Конструкцияформ
Термоформованиеможно выполнить с помощью выпуклой и вогнутой формы (пуансона и матрицы), парысогласованных форм или матрицы и вспомогательного пуансона, напоминающего поконфигурации пуансон, но обычно не так плотно прилегающий. Вспомогательныепуансоны для промышленного оборудования изготовляют из алюминия, и во избежаниеохлаждения или коробления пластикового листа их нагревают или охлаждают.Область применения зависит от конструкции изделия, типа полимера и требований кготовому изделию, но в настоящее время во многих термоформовочных машинахприменяют и разрежение, и сжатый воздух, и вспомогательные пуансоны совместно(рис.13).
/>
Рис.13. Оснастка для термоформования: а) выпуклая форма; б) вогнутая форма; в) выпуклаяформа для вакуумного формования; г) вогнутая форма со вспомогательнымпуансоном; Э) возвратное формование (продавливает расплав полимера в вакуумнуюкамеру, а затем вытягивает ее обратно); е) формование с предварительнымраздувом листа (сжатый воздух раздувает лист пластика вверх, а пуансонвдавливает пластик вниз с одновременной откачкой воздуха из-под листа)
Вогнутаяформа позволяет лучше детализировать внешнюю поверхность изделия,контактирующую с формой и на которую обычно наносится глубокая печать. Вогнутыеформы также обеспечивают лучшую равнотолщинность и более быстрое охлаждениеизделия. Максимальное утонение материала происходит в наибольшем углубленииформы (особенно вблизи углов), а самые прочные и толстые участки получаютсявблизи внешней кромки. Вспомогательный пуансон с этим типом форм используетсядля более ровного распределения полимера по форме. Для изготовления крупныхдеталей может потребоваться технология с предварительной пневматическойвытяжкой листа. В этом случае разогретый лист пластика герметизируется по краямматрицы и с помощью сжатого воздуха выдувается над матрицей в виде пузыря. Затемс помощью разрежения и вспомогательного пуансона пластик резко втягивается вполости формы, где формуется готовое изделие. Для изготовления крупных деталейили при использовании толстых листов пластика разрежение внутри полости формыможет сочетаться с давлением воздуха на внешнюю поверхность.
Формованиес помощью пуансона часто используется там, где важна деталировка внутреннейчасти и где требуется прочность и утолщенное днище. Пуансон должен иметьконусность не менее 3°, а более чем трехградусная конусность можетпотребоваться для изготовления очень широких изделий или в случае материала сбольшой усадкой после формования (для матрицы не требуется сужения, так какизделие после усадки свободно извлекается).
Размервыступа на пуансоне обычно должен быть меньше ширины полости формы во избежаниечрезмерного утонения изделия (хотя у некоторых изделий и пластиков вполнедопустимо соотношение 3: 1). Следует использовать как можно большие радиусыскруглений, особенно в местах возможного утонения материала. Радиус скругле-нийдолжен быть не меньше двойной толщины исходного материала. Большинство изделий,получаемых методом термоформования, должны быть отрезаны по контуру независимоот формы. Отрезание может быть произведено вручную или с помощью вырубныхштампов (как частей формующего оборудования, так и отдельных устройств).
Вслучаях, когда для крепления к подложке необходимо утолщение вдоль внешнейкромки изделия, можно использовать эту кромку для придания изделиюдополнительной жесткости. Наличие ребер усилит плоские участки. Для формованияс разрежением формы должны выдерживать давление всего до 0,1 МПа, чтосоответствует значению нормального атмосферного давления, однако применение приформовании сжатого воздуха может увеличить это значение до 2,1 МПа.
Существуетмного разных типов и разновидностей материалов для изготовления форм длятермоформования. Для экспериментальных изделий могут использоваться деревянныеформы, но под действием тепла они скоро начнут обугливаться.
Длявыпуска небольших серий изделий в качестве материала часто используютстроительный гипс, но он со временем крошится и растрескивается. Формы изэпоксидных смол используют для формования тонкого материала (до 0,8 мм), однако недостаточная теплопроводность делает их малопригодными для формования изделийбольшой массы. Формы с напылением металла дороги, но обеспечивают великолепнуюдетализацию без усадки. При такой технологии цинко-алюминиевая проволокаподается в специальный распылитель, плавится и выдувается в виде мелких капель.Капли застывают на поверхности формы без сколько-нибудь значительного нагреваповерхности, на которую они распыляются. Подобным методом можно получатьпокрытия толщиной до полудюйма (12,7 мм). Для форм, предназначенных длякрупносерийной продукции, лучше всего использовать распыление алюминия — приэтом толщина напыления составляет около 12,7 мм. Иногда формы изготовляют из бериллиевой бронзы или латуни, которые быстро рассеивают тепло и обеспечиваютвысокую производительность.
Вформе должно быть предусмотрено необходимое количество вентиляционных каналов,и, чтобы полимер мог проникнуть в каждую полость, они должны быть расположены внужных местах, особенно в углах формы. Эти каналы должны иметь диаметр около 0,41 мм для тонких материалов и около 0,8 мм — для более толстых. Меньший диаметр может потребоватьсядля ПЭ, поскольку следы от этих каналов становятся заметны. В более глубокихучастках формы необходимо большее количество каналов, чем в мелких, особеннокогда мелкие и глубокие участки прилегают друг к другу. При необходимостиканалы могут быть расположены на расстоянии до 12,7 мм друг от друга. Охлаждение осуществляется с помощью полостей в форме или просверленныхканалов, которые должны быть водостойкими и располагаться
так,чтобы не пересекаться с вентиляционными каналами. Если для охлажденияприменяются трубки из меди или нержавеющей стали, то их сечение должно быть неменее 12,7 мм, а располагаться они должны не ближе чем 6,4 см друг от друга. Некоторым участкам формы может требоваться большее охлаждение, чем другим, ноэто может быть установлено только опытным путем.
Длянекоторых материалов типа ударопрочного ПС форма во избежание внутреннихнапряжений в процессе быстрого охлаждения (которые могут привести к короблениюизделия) должна быть достаточно теплой (около 65,6 °С). Поднутрение принеобходимости может быть осуществлено несколькими методами. Для освобожденияизделия участки с прорезями могут быть удалены из формы. Участки с креплениямисгибают после извлечения изделия из формы. В случае небольшого поднутрения дляосвобождения готового изделия могут быть использованы выталкиватели. Еслиподнутрение не слишком глубоко, зачастую для извлечения изделия из формыприменяют сжатый воздух. Во избежание просачивания воздуха между пластиком иповерхностью формы как в процессе формования, так и при извлечении готовогоизделия поверхность формы должна быть обработана пескоструйным методом. Сучетом всех вышеперечисленных методов в настоящее время термоформованиепотребительской упаковки стало процессом довольно сложным со множествомограничений.
1.8Вакуумное формование в плотно прилегающую пленку на подложке
Однаиз разновидностей блистерной упаковки — это вакуумная упаковка с плотноприлегающей пленкой. По такой технологии лист (или пленка) нагревается инатягивается поверх продукта (вместо загрузки продукта в полости упаковки).Подложка обычно предварительно оформляется, покрывается слоем термоклея иперфорируется мелкими отверстиями так, чтобы с помощью разрежения можно было притянутьпленку к подложке. Так как пленка обтягивает размещенный на подложке продукт,то он надежно фиксируется в нужном месте. Для подобного упаковывания требуетсяоколо 40 с.
Обычнопри этом используются тонкие пленки толщиной около 128,2 мкм и менее, так чтоподобный вид упаковки дешевле, чем блистерная упаковка (если только самаподложка не намного больше упакованного продукта). По такой технологии пленкадолжна покрывать всю подложку, а блистер может лишь ненамного превышать размерысодержимого.
Наблюдаетсятенденция подложек к деформации, вызванной усадкой пленки после охлаждения.Чтобы этого не происходило, существует не так много технологических приемов(например, минимизация зоны разогрева и применение для подложки более прочногокартона). В данном виде упаковки наиболее предпочтительна ПВХ-пленка, однако скартоном без покрытия могут применяться также ПЭНП и ПП, если пленка дляокисления ее поверхности (чтобы она могла прилипнуть к подложке) обработанаоткрытым пламенем или коронным электрическим разрядом. Для таких пленокперфорирование непокрытого картона подложки может оказаться ненужным, так каккартон — достаточно пористый материал, пропускающий отсасываемый воздух. Еслидля тяжелых или имеющих острые грани продуктов требуется большая прочность, тов качестве пленки могут использоваться иономеры, которые значительно дороже,чем ПЭ, ПП или ПВХ, но гораздо более прочны.
2.Виды тары
Поназначению тару и упаковку можно разделить на производственную, транспортную,потребительскую, специальную.
2.1Потребительская тара:
1)прямоугольные контейнеры со съемной крышкой (рис.1);
2)квадратные контейнеры (рис. 2.1); контейнеры в форме сердечка (рис. 2.2);
3)стаканы :
— стакан белый (как правило применяется для упаковывания сметаны, йогурта,разного вида желе, сухих супов, лапши быстрого приготовления и т.д; они бываютобъемами от 125 до 200 мл) (рис. 3.1);
— стакан «колокольчик» (применяется для фасования мороженного, так как за счет суженногодонышка очень хорошо позиционируется в ячейке контейнера, а так же устойчив приподаче в холодильную камеру) (рис. 3.2)
4)бутылочки (бывают объемом 0,5; 0,7; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 6 литра; применяют длярозлива молочной продукции – питьевые йогурты, молоко, кефир и т.д.; воды, безалкогольныхнапитков, пива) (рис. 4.1, 4.2, 4.3);
5)банки (рис. 5.1).
Вобщем потребительская тара должна иметь оптимальные размеры и объем;привлекательный внешний вид; выполнять рекламные функции; доводить допотребителя информацию о товаре и правила обращения с ним; нести маркировкупроизводителя и гарантии качества товара; обеспечивать стерильность и повышатьдлительность хранения продукции; обеспечивать надежную защиту человека иокружающей среды от воздействия вредных веществ; улучшать учет и организациюсбыта продукции; ускорять обслуживание покупателей при покупке товара;способствовать внедрению новых прогрессивных форм товарообращения и торговли;обеспечивать автоматизацию фасовочно-упаковочных операций, а также механизациюпогрузочно-разгрузочных и складских работ; повышать эффективность использованиятранспортных средств и складских помещений; выполнять дополнительные функции,способствующие полному и удобному потреблению содержимого, а также исключающиеподделку и не рациональное применение товара; она должна быть безопасной для человекаи окружающей среды, а также рентабельной для производителя и потребителяпродукции.
/>
Рис 1 прямоугольныйконтейнер
/>
Рис.2.1 квадратныеконтейнеры
/>
2.2 контейнеры в форме сосъемной крышкой сердца
/>
Рис. 3.1 стакан белый
/>
Рис. 3.2 стакан«колокольчик»
/>
Рис. 4.1 бутылкицветные
/>
Рис. 4.2 бутылки белые
/>
Рис. 4.3 бутылка
Пэтбокс
/>
Рис. 5 баночки
2.2 Транспортная тара
1) Пластиковыебочки
Пластиковыебочки формуют раздувом. Следует учесть и массу тары:
10,43 кг— для пластиковой бочки, 16,78 кг — для стальной и 6,4 кг — для бочки из фиброкартона. Из-за огромного разнообразия продуктов и условийтранспортирования нельзя останавливаться на одном типе бочек. апример, припоставке изделий на условиях возврата тары (зачастую с использованием паркаавтомобилей или производителя, или поставщика) бочки из фиброкартона используютсямногократно (лишь с заменой пластиковой вставки). В условиях небрежногохранения, поставок на большие расстояния, наличия многочисленныхпогрузочно-разгрузочных операций и работы с небольшими объемами грузов могутпотребоваться пластиковые или стальные бочки-контейнеры (рис.1).
Покрытияи соэкструзия
Чтобыповысить защитные свойства упаковки, а также увеличить сопротивление истиранию,на пластиковую тару как снаружи, так и изнутри иногда наносят защитные покрытия(различными методами). Несмотря на все нововведения, недостатками здесьостаются высокая их стоимость и проблемы с нанесением покрытий на тару сложнойконфигурации (в частности, на ручки для переноски). В основном подобныепокрытия используются там, где дополнительная защита упаковки оправдываетповышение ее стоимости.
Декорирование
Дляоформления пластиковой тары применяются различные печатные процессы.Флексография используется для пленок, офсетная печать — для декорированиябутылок, флаконов и тюбиков туб, шелкография — для небольших партий твердыхизделий, где необходимо улучшенное оформление упаковки. Для полученияметаллических оттенков хорошим методом является горячая штамповка.
Испытания
Бытуетневерное представление, что пластики не хрупки. Хотя количество воздействий,которое может выдержать пластиковая упаковка, достаточно велико, тем не менеепластики отнюдь не неуязвимы. Следовательно, важно проверять новую тару насоответствие тому уровню защиты продукта, который желательно получить вконкретном случае. Ударопрочность обычно проверяется индивидуально методомсброса заполненных бутылок на твердую поверхность. Для получения надежногорезультата бутылки должны быть наполнены конкретным продуктом, а его розливдолжен быть произведен за сутки перед испытанием. Для испытания не следует применятьтолько что расфасованные бутылки, так как внутренней поверхности бутылки длядостижения состояния равновесия с содержимым требуется некоторое время.Стандартная пластиковая бутылка должна выдерживать падение с высоты от 1,8 до 2,4 м без повреждений (повреждение обычно проявляется в виде разрыва).
2) Ведра.
Ведрапредназначены для транспортировки и хранения жидких, сыпучих, твердых ипастообразных пищевых и непищевых продуктов, в том числе: рыбной продукции;молочной продукции; солений; квашений; маринадов; повидла; джема; меда;лакокрасочной продукции, шпатлевок, строительных смесей. Бывают объемом 10, 15,22, 33 литров (рис.2).
3) Ящики.
Классификацияполимерных ящиков
Ящики изготовляют двухтипов: I — вкладываемые один в другой; II — невкладываемые один в другой.Допускается изготовление ящиков с крышками, без крышек, с внутреннимиперегородками и другими вспомогательными элементами и приспособлениями. (рис 3)
По назначению ящикиподразделяют на:
1) ящики для пищевыхжидкостей в бутылках емкостью 0,33-0,8 л; 2) ящики для молока и молочныхнапитков в герметичной упаковке (стеклянная, картонная тара, тара изкомбинированных материалов и т.п.); 3) ящики для молочной продукции внегерметичной упаковке (стаканчики из полимерных материалов и бумаги,пергамент, бумага и т.п.); 4) ящики для мяса и колбасных изделий; 5) ящики илотки для свежих фруктов, овощей и зелени; 6) лотки для хлебобулочных изделий;7) ящики для прессованных дрожжей; 8) ящики для яиц; 9) ящики для рыбы, рыбныхполуфабрикатов, рыбной кулинарии, морепродуктов; 10) ящики технологические(внутрицеховая тара для пищевых производств); 11) ящики для мыла; 12) ящики дляпрочей продукции (мороженое, кондитерские изделия и т.п.).
Транспортированиеи хранение
Ящики и крышкитранспортируют в штабелях всеми видами транспорта в чистых сухих крытыхтранспортных средствах в соответствии с правилами перевозки грузов,действующими на данном виде транспорта, и техническими условиями погрузки икрепления грузов. Грузовые места формируют в транспортные. Ящики и крышкихранят в штабелях.При хранении ящиков и крышек в отапливаемых помещениях онидолжны быть расположены на расстоянии не менее 1 м от нагревательных приборов.
4) Евроканистры
Полиэтиленовыеканистры объемами 30, 20, 5, 11, 3 литра предназначены для хранения итранспортировки жидких нефтехимических и пищевых продуктов, температура которыхне превышает +800С. (рис.4)
/>
Рис.1 Пластиковые бочки
/>
Рис.2 полиэтиленовое ведро
/>
/>
Рис.3 ящики
/>
Рис. 4 канистры
В заключение обратимвнимание на один из самых важных аспектов производства полимерныхтароупаковочных средств, которому, даже в специализированных отечественныхпериодических изданиях не уделяется должного внимания, что не поддаётсяникакому разумному объяснению. Речь о том, что ни одно тароупаковочноеполимерное средство не может быть изготовлено без формующего инструмента,которым должен быть оснащён тот или иной тип технологического оборудования. Изложеннаяинформация выше показывает, что производство тары и упаковки из полимерныхматериалов — весьма сложный, многоуровневый процесс, успешная реализациякоторого требует глубокой профессиональной подготовки не только в областитехнологий переработки полимеров, но прежде всего в области конструированияоборудования и формующего инструмента.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Рогов Г.Н., Богач О.Н. Сыроделие имаслоделие/Под ред. Э.Г. Розанцева.-М.: Колос, 2002- 87с.
2 Администрация сайта www.complexdoc.ru
– COMPLEXDOC нормативные документы.
3 Администрация сайта www.mechanister.ru
– Упаковочное и фасовочное оборудование – Механистер. Упаковочные автоматы.
4 ООО «Компания Магикон» www.pressbb.ru
– Упаковочное оборудование.
5 Компания «Объединенные кондитеры» www.uniconf.ru
– Кондитерские изделия.
6 Администрация сайта www.conditerprom.ru
– Информационный ресурс о кондитерской промышленности России.
7 Компания ЗАО «Инлайн-Р» www.inline-r.ru
– Виды упаковки.