Методы и оборудование для производства полимерной тары и упаковки

Появление новой области промышленной индустрии обусловило и появление специальной терминологии, которая достаточно широко, но, к сожалению, не всегда правильно употребляется, даже в среде специалистов. Такая ситуация создаёт вполне определённые трудности не только в восприятии различного рода информационных материалов о полимерной упаковке и оборудовании для её производства, но, что ещё более неприемлемо, зачастую вводит в заблуждение, формируя ложные представления по тем или иным аспектам, связанным с производством и использованием полимерной упаковки. Попробуем разобраться с основными определениями, понятиями и экономическими категориями, сопровождающими процессы производства полимерных упаковочных средств и оборудование для их реализации.

Если обратиться к ГОСТ 17527-86 "Упаковка. Термины и определения", то станет понятно, что под упаковкой понимается некий комплекс защитных мер и материальных средств (курсив наш), обеспечивающих подготовку различного рода продукции к транспортированию и её материальную сохранность. Из приведённого определения ясно, что разработчики ГОСТ стремились в одном определении совместить понятие об упаковке как о комплексе технологических процессов, обеспечивающих упаковывание продукции с помощью специального оборудования или вручную, с одной стороны, а с другой - как о материальных средствах (конкретных видах изделий), обеспечивающих защиту продукции от повреждения или потерь в процессе транспортировки, складирования и хранения. Отсюда и совершенно разный смысл, который может вкладываться в термин "упаковка". Не будем обсуждать достоинства или недостатки данного определения, но отметим тот факт, что оно совсем не затрагивает такого понятия как "тара", которая является неотъемлемым, а иногда и единственным элементом (средством) упаковки, и также представляющая собой конкретные виды изделий для размещения продукции. Во многих конкретных случаях достаточно сложно разграничить понятия "тара" и "упаковка", а поэтому в литературе часто пользуются обобщённым понятием, определяемым как тароупаковочное средство. О технологиях производства таких средств из полимерных материалов и оборудовании для их реализации и пойдёт речь ниже.

В мировой практике существует большое разнообразие технологических методов переработки полимерных материалов в тароупаковочные средства, реализуемых на соответствующих видах специального оборудования. Наиболее распространены среди них следующие: литьевое (инжекционное) формование, экструзионно- и инжекционно-раздувное формование, пневмо- и вакуумформование, механотермоформование, а также экструзионные технологии получения листовых и плёночных материалов. Рассмотрим существо этих технологических методов, учитывая, что полимерные тароупаковочные средства изготавливаются из термопластичных полимерных материалов, часто называемых термопластами.

Метод литьевого (инжекционного) формования термопластов

Метод литьевого (инжекционного) формования термопластов (рис.1) заключается в том, что исходный полимерный материал в виде гранул или порошка загружается в бункер литьевой машины, где захватывается вращающимся шнеком (червяком) 3 и транспортируется им вдоль оси пластикационного обогреваемого цилиндра 2 в его сопловую часть, переходя при этом из твёрдого состояния в состояние расплава. По мере накопления необходимого объёма расплава полимера 4 последний впрыскивается за счёт поступательного перемещения шнека через специальное сопло 5 в сомкнутую охлаждаемую литьевую форму 1. Заполнивший полость формы расплав полимера удерживается в ней какое-то время под давлением и остывает. Далее литьевая форма раскрывается, готовое изделие 6 удаляется из её полости, а цикл формования повторяется.

Рис.1. Схема литьевого (инжекционного) формования

Схема литьевого (инжекционного) формования


Метод реализуется с помощью специального оборудования, называемого литьевыми машинами (выпускавшиеся ранее в СССР литьевые машины носят название "термопластавтоматы"), и имеет ряд преимуществ по сравнению с другими методами формования изделий из полимеров: высокая производительность, высокий уровень механизации и автоматизации реализуемого процесса, отсутствие этапа получения заготовки для формования изделий, небольшое количество отходов, возможность формования изделий с практически любым заданным распределением толщины стенок. К недостаткам следует отнести невозможность формования полых изделий закрытого типа (бутылок, канистр, и т. п.) и крупногабаритных изделий. Вместе с тем, как ни один другой, этот метод имеет хорошо развитую теоретическую базу, научно обоснованные и широко применяемые в практике методы расчёта и конструирования формующего инструмента для его реализации, обеспечивающие производство изделий с задаваемыми параметрами.

Метод экструзионно-раздувного формования полимерной тары и упаковки

Реализация метода экструзионно-раздувного формования полимерной тары и упаковки (рис.2) заключается в следующем: исходный полимерный материал в виде гранул или порошка пластицируется вращающимся шнеком экструдера (червячного пресса) в его обогреваемом цилиндре и продавливается (экструдируется) через формующий инструмент - кольцевую экструзионную головку 1, выходя из него в виде трубчатой (рукавной) заготовки 2 и попадая в пространство между разомкнутыми половинами охлаждаемой раздувной формы 4, смонтированными на подвижных плитах приёмного устройства. По достижению заготовкой определённой длины полуформы смыкаются с захватом заготовки и её раздуванием сжатым газом, подаваемым в полость заготовки через раздувной ниппель 3. После охлаждения раздувные формы размыкаются, и готовое полое изделие 5 снимается с раздувного ниппеля. Далее цикл формования повторяется.

Рис.2. Схема экструзионно-раздувного формования

Схема экструзионно-раздувного формования


Данный метод обладает рядом преимуществ: простота технологии и возможность полной автоматизации процесса формования, высокая производительность в сочетании с возможностью совмещения производства тары в одном потоке с производством затариваемой продукции, её расфасовкой, укупоркой, этикетированием тары и т. п., относительно невысокая стоимость технологического оборудования и формующего инструмента (раздувных форм, экструзионных головок). К основным недостаткам метода следует отнести следующее: его реализация протекает в два этапа (получение трубчатой заготовки и её последующее раздувное формование в изделие), что требует наличия двух типов формующего инструмента (экструзионной головки для получения заготовки и раздувной формы); получаемые изделия обладают значительной разнотолщинностью (неоднородностью толщины стенок); наличие технологических отходов. Однако достоинства и технико-экономические показатели метода устойчиво обеспечивают не только "выживаемость", но и его развитие в условиях рынка. Так, например, в последнее время появились сведения о новых разновидностях метода экструзионно-раздувного формования и формующих элементах оборудования для их реализации. Отдельными исследованиями показано, что, например, принудительное растяжение заготовки в процессе её раздувания в сочетании с интенсивным охлаждением изделий приводит к изменениям в структуре полимеров, влияющим на их эксплуатационные характеристики (прочность, газопроницаемость, теплопроводность и т.п.). Однако пока эти разновидности не получили широкого распространения в производстве упаковки.

Разнотолщинность полимерной тары и упаковки, получаемых методом экструзионно-раздувного формования, обусловлена несколькими причинами. Одна из них заключается в гравитационной вытяжке заготовок в процессе их экструзии через формующий инструмент. Для борьбы с этим явлением разработано несколько способов. Например, для снижения гравитационной вытяжки заготовок оптимизируют скорость экструзии заготовок. Широко также применяется "программирование" заготовки, когда её гравитационная вытяжка компенсируется за счёт целенаправленного изменения толщины стенки последней в процессе экструзии. Для этого используются экструзионные головки специальных конструкций, позволяющие в процессе экструзии по определённой программе управлять шириной формующего кольцевого зазора головки. Успех "программирования" заготовки зависит от корректности решения задачи о её гравитационной вытяжке, представляющего собой функцию управления формующим зазором экструзионной головки. В соответствии с этой функцией программируются командно-задающие устройства, управляющие работой экструзионно-раздувных агрегатов.

Управление формующим зазором инструмента (кольцевой экструзионной головки) используется и для получения "программированных" трубчатых заготовок, обеспечивающих производство изделий с заданным распределением толщины их стенок. Задача определения функции управления формующим зазором головки в этом случае гораздо сложнее, чем в предыдущем. На практике функцию управления подбирают опытным путём при формовании каждого конкретного изделия. С этой целью сначала экструдируют заготовку с постоянной толщиной стенки, нанося на её поверхность маркировку, а затем раздувают её в изделие. Полученное изделие разрезают и анализируют распределение толщины стенок, сравнивая с заданным. Затем вся процедура повторяется, но с той разницей, что при экструзии заготовки за счёт изменения зазора формующего канала головки увеличивают или уменьшают толщину стенки заготовки в необходимых (согласно маркировке) местах в соответствии с результатами предыдущего эксперимента. Полученное изделие вновь подвергают анализу, и так продолжают до тех пор, пока распределение толщины стенок в получаемом изделии не будет соответствовать заданному. Такая процедура, повторяемая иногда до десятка и более раз, требует определённых трудозатрат, расхода сырья, тепло- и энергоносителей. Более того, зачастую оказывается, что спроектированная конструкция изделия вообще не позволяет отформовать его с заданным распределением толщины стенок.

Ещё одна важная практическая проблема, которую приходится решать при реализации рассматриваемого метода состоит в необходимости учёта явления высокоэластического восстановления, наблюдаемого при экструзии заготовок и заключающегося в изменении геометрических размеров ("разбухании") экструдата по отношению к геометрическим размерам формующего канала инструмента. Не вдаваясь в анализ теоретических представлений о существе этого процесса и способах его описания, подчеркнём лишь актуальность учёта этого явления с точки зрения расчёта и конструирования геометрических параметров профилирующих элементов (дорнов и мундштуков) экструзионных головок, обеспечивающих получение заготовок с заданными геометрическими параметрами.