КОНСТРУИРОВАНИЕ И ДИЗАЙН ТАРЫ И УПАКОВКИ

Анализ технологических свойств

Технологические свойства пластмасс определяют простоту или слож­ность выполнения технологических процессов производства тары и упа­ковки. В полной цепочке технологических процессов (подготовительных, формовочных, вспомогательных и дополнительных) важнейшую роль в выборе вида производства играют формовочные процессы.

По своей сути формовочные процессы заключаются в переводе поли­мерного материала под воздействием температуры в пластическое состо­яние с последующим приданием ему необходимых для тары формы и размеров за счет приложения соответствующих механических усилий.

Вид формовочного процесса тесно взаимосвязан с видом заготовки пла­стмассы. Из гранул и порошка тару изготавливают методами литья под давлением, прессованием, экструзии, раздува. Тару в этих случаях называ­ют соответственно литьевой, прессованной, экструзионной и выдувной. Из листов и пленок методами термоформования, сварки и склеивания полу­чают термоформованную, сварную и склеенную тару. Из растворов и сус­пензий полимеров способами полива, напыления и вспенивания изготав­ливают поливную, напыляемую и вспененную тару (рис. 7.9).

Вид заготовки пластмассы

Г ранулы, порошок

Рис. 7.9. Взаимосвязь вида заготовки пластмассы со способом производства тары

Из гранулированных и порошкообразных пластмасс тару получают родственными процессами, иногда называемыми «расплавными» тех­нологиями. При литье под давлением, прессовании, экструзии и разду­ве материал расплавляют до вязкотекучего состояния. Температурно­временные условия процессов разогрева, пребывания в вязкотекучем состоянии и охлаждении, а также вязкость расплава являются опреде­ляющими факторами при выборе марки пластмассы для производства тары тем или иным способом.

Температура расплава должна обеспечивать необходимую вязкость для получения тары нужной формы, но при этом не должно быть дест­рукции материала. Обычно требуемая вязкость расплава достигается у аморфных полимеров при температуре на 100-150°С выше температу­ры стеклования, а у кристаллических полимеров — при температуре, на

Несколько градусов превышающей температуру плавления. Максималь­но возможная температура расплава на 30-40°С ниже, чем температу­ра деструкции. Чем выше вязкость расплава, тем больше должна быть разница межу температурой деструкции и предельной температурой расплава, поскольку процесс пластикации сопровождается выделени­ем тепла и вызывает дополнительный прогрев материала.

С ростом температуры снижается термостабильность расплава, по­этому продолжительность пребывания материала в пластификацион - ном цилиндре литьевой или экструзионной машины не должна превы­шать время термостабильности расплава при данной температуре.

Простоту или сложность переработки материала характеризует ве­личина практического интервала температур расплава. Ее определяют как разницу между максимально допустимой и минимальной темпера­турой расплава. Для большинства термопластов практический интер­вал температур расплава составляет 60 — 100°С (табл. 7.9). (Сложно перерабатываемыми являются ПВХ, ПА-66, ПЭТФ, у которых интер­вал температур расплава равен всего 20°С. Такие материалы следует использовать в технически и экономически обоснованных случаях.

Таблица 7.9

Температурные интервалы (°С) переработки основных полимерных материалов в производстве тары и упаковки [29, 61]

Для изготовления тары методами литья под давление*м используют полимеры с малой вязкостью расплава, у которых ПТР составляет от 2 до 30 г/10 мин. Их основные марки и свойства приведены в табл. 7.10.

Из маловязких расплавов невозможно получить сплошную экстру­зионную заготовку в виде пленки, тубы профиля. Для экструзии и раз­дува применяют материалы со средней вязкостью расплава, ПТР кото­рых составляет от 0,3 до 12 г/10 мин.

Выходящий из экструдера расплав заданного формующей головкой профиля должен обладать определенной формоустойчивостью. Требо­вания к формоустойчивости зависят от последующих технологических операций: деформация расплава в свободном состоянии либо в калиб­ровочном приспособлении. Формоустойчивость зависит от температу­ры и молекулярной массы полимера. Косвенно ее можно оценить вели­чиной ПТР. Поэтому для различных видов изделий рекомендуют вы­бирать марки пластмасс с различными показателями ПТР.

Тубы и другую тару цилиндрической формы производят из полиме­ров с ПТР от 0,3 до 1 г/10 мин. Как правило, эти полимеры имеют боль­шую молекулярную массу, поэтому отличаются повышенными физи­ко-механическими характеристиками. Пленки и листы изготавливают из материалов с ПТР от 1 до 4 г/10 мин. Для производства выдувной тары методом экструзии с раздувом используют полимеры с ПТР от 1,5 до 7 г/10 мин. Ламинирование осуществляют расплавом меньшей вяз­кости с ПТР от 7 до 12 г/10 мин. Наиболее часто применяемые марки пластмасс для изготовления выдувной тары приведены в табл. 7.11.

Из полимерных пленок и листов тару производят методами термо­формования, сварки и склеивания.

Из пленочных материалов преимущественно получают мягкую тару на фасовочно-упаковочных автоматах. Пленки используют также для упаковки многих видов продукции методом заворачивания.

При выборе пленочного материала для мягкой тары учитывают его способность к сварке или склеиванию. Важное значение имеет возмож-

Ю

Гранулированные полимерные материалы для изготовления выдувной тары

Ю

СО

Пленочные материалы для изготовления мягкой тары

Ность нанесения печати различными способами. Немаловажную роль играет ассортимент толщин и ширины промышленно выпускаемых из данного полимера пленок. Правильный выбор толщины и ширины плен­ки является основой оптимального использования материалов. Наибо­лее часто применяемые в производстве мягкой тары пленочные мате­риалы приведены в табл. 7.12.

Простых и объективных методов оценки технологических свойств листовых термопластов в настоящее время нет. Косвенно оценить тех­нологические возможности можно по следующим показателям [79]:

1) скорость нагревания листа до температуры формования;

2) термическая усадка листа;

3) формуемость, способность материала приобретать необходимую для тары форму.

Скорость нагревания листовых материалов до температуры формо­вания является одним из главных факторов, определяющих произво­дительность процесса производства тары. Время нагрева представляет самый продолжительный этап всего процесса формования и составля­ет 50-80% общего времени формования.

Скорость нагревания листовых материалов выражают основным урав­нением теплопроводности Фурье для одномерного теплового потока

(ГГ (РТ

(7'17)

Где Т — температура, К; £ — время, с; а — коэффициент температуропро­водности, м2/с; у — расстояние от поверхности вглубь (по толщине), м.

Уравнение (7.17) показывает, что время нагрева листа обратно про­порционально температуропроводности материала и прямо пропорци­онально толщине листа.

Коэффициент температуропроводности а зависит от удельной тепло­емкости с, плотности полимера р и коэффициента теплопроводности Я:

А~- (7.18)

Диапазоны температур нагрева листовых заготовок для формования и теплофизические свойства полимеров, необходимые для оценки вре­мени нагрева, приведены в табл. 7.13.

Термическая усадка листов происходит при их нагревании. Усадку объясняют интенсификацией протекающих в материале релаксацион­ных процессов. В результате усадки наблюдается коробление листов, неравномерный их разогрев, ухудшается качество отформованной тары. Усадка листа зависит от температуры, времени нагревания, марки и сорта материала, метода его изготовления.

Метод получения листов заливом мономера в форму с последующей полимеризацией практически не оставляет в листе остаточных напря­жений. Такие листы имеют минимальную усадку. Этим методом изго­тавливают листы из ПММА.

Методы получения листов экструзией и каландрированием способ­ствуют возникновению значительных остаточных напряжений, сильно различных в продольном и поперечном направлениях. Такие листы име­ют повышенную усадку, разную по длине и ширине. Этими методами производят большинство листовых материалов.

Листы, полученные менее распространенным прессовым методом, имеют остаточные напряжения, более или менее одинаковые в различ­ных направлениях. Такие листы с точки зрения усадки более пред­почтительны.

Под формуемостью понимают поведение материала в процессе фор­мования при условии получения из него изделия, удовлетворяющего необходимым требованиям качества [79]. Основными показателями, оп­ределяющими формуемость, являются интервал температур формова­ния, степень вытяжки материала в этом интервале, усадка изделия, его разнотолщинность.

Вытяжка, которой был подвергнут листовой термопласт, оказывает значительное влияние на свойства отформованного изделия. От вели­чины и условий проведения вытяжки зависят механические свойства и стабильность размеров получаемой тары. Вытяжка сопровождается
процессами ориентации материала, которые приводят к повышению прочности, удельной ударной вязкости, стойкости к растрескиванию. Одновременно проявляются и негативные последствия — повышение усадки, снижение износостойкости.

Величина вытяжки является параметром, который невозможно из­менить в процессе формования. Она задается косвенно заранее уже в процессе конструирования самого изделия и определяется конфигура­цией и размерами тары. При конструировании тары следует придавать ей такую форму, у которой разность величин вытяжки по взаимно пер­пендикулярным направлениям не превышает 50-60%. В противном слу­чае тара будет обладать анизотропией механических свойств и усадки.

Степень вытяжки принято выражать в % по увеличению площади формуемой заготовки

Е=^-Д-100,

Где5 и 5 — площадь поверхности заготовки и изделия соответственно,

И 3

Или по относительному утонению листа

(7.20)

Где 8 — толщина заготовки; 8 — толщина стенки изделия.

На практике часто используют упрощенное понятие степени вытяж­ки. Этим термином иногда называют отношение высоты изделия Н к диаметру его основания £). Если изделие в сечении не имеет формы кру­га, то за величину Л принимают или наименьший линейный размер от одной стенки изделия до другой, или условный диаметр круга, равного по площади сечению данного изделия. В ряде случаев степень вытяжки характеризуют отношением 5и/ 5з. Несмотря на то что оба этих отно­шения выражают не степень, а глубину вытяжки [70], их предельные величины можно использовать в качестве ориентиров в процессе про­ектирования тары. Предельные рекомендуемые значения глубины вы­тяжки и величины усадки основных листовых термопластов приведе­ны в табл. 7.14.

На выбор материала оказывают влияние и размеры (толщина, ши­рина, длина) выпускаемых промышленностью листов из пластмасс. Раз­меры листов определяют схему раскроя заготовок для термоформова­ния тары, а следовательно, и экономические показатели процесса. Ос­новные характеристики листовых материалов, рекомендованных для изготовления тары методом термоформования, приведены в табл. 7.15.

Обоснование выбора материала при конструировании упаковки яв­ляется чрезвычайно сложной многофакторной задачей. Эта задача сво­дится к поиску оптимального решения пути удовлетворения комплек­са технических требований к упаковке конкретной продукции. Выбор материала предопределяет конструктивные особенности тары и упаков­ки, оптимальный вариант технологии ее изготовления, специфику эта­пов жизни упакованной продукции — транспортировки, хранения, рас­пределения, продажи, потребления, а также утилизации использован­ных отходов тары и упаковки.

Некоторые факторы, влияющие на выбор материала, имеют ярко выраженный приоритетный характер. Многие факторы равнозначны и трудно отдать какому-либо из них предпочтение. А некоторые факто­ры в явной или неявной форме противоречат друг другу.

Для решения подобных задач предложен метод функционально-сто­имостного анализа [75]. Он состоит из нескольких этапов.

На первом этапе на основании анализа технического задания на про­ектирование, в котором содержится комплекс технических требований к таре и упаковке, выделяют наиболее важные свойства полимерных мате­риалов, обеспечивающие требуемый уровень качества тары. Затем на ос­новании этих выделенных свойств выбирают стандартизованные харак­теристики пластмасс, которые и подвергают дальнейшему анализу.

На втором этапе устанавливают приоритет стандартизованных ха­рактеристик. Наибольшее распространение получила методика экспер­тного опроса. Группа высококвалифицированных экспертов устанав­ливает каждой характеристике оценку значимости. По среднеарифме-

Тическому значению этих оценок определяют коэффициент приоритета, согласно которому характеристики выстраиваются в порядке их важности.

На третьем этапе определяют перечень полимерных материалов, применение которых перспективно для данного вида тары и упаковки. Для каждого материала устанавливают в баллах оценку степени удов­летворения анализируемой характеристики предъявляемым требовани­ям. По сумме произведений этой оценки на коэффициент приоритета характеристики получают интегральную величину, определяющую при­оритет материала.

При анализе и выборе вариантов технологии изготовления тары и упаковки необходимо также учитывать оснащенность предприятий - изготовителей необходимым оборудованием, объем выпуска продукции, коэффициент использования материала, энергетические и трудовые затраты, а также другие факторы, которые могут служить дополнитель­ными характеристиками для функционально-стоимостного анализа.

Пример.

Задание: выбрать полимерный материал при разработке потреби­тельской тары для упаковки моющих паст, величина дозы 500 г.

Решение с помощью метода функционально-стоимос­тного анализа.

Анализ технического задания показал, что содержащиеся в нем тре­бования можно разделить на эксплуатационные, технологические и эко­номические.

Эксплуатационные требования предусматривают обеспечение проч­ности и жесткости конструкции при заполнении моющей пастой в фасо­вочно-упаковочном автомате вертикального типа, а также при воздей­ствии статических и динамических нагрузок при транспортировке, хра­нении, распределении и продаже. Химическая активность моющих паст требует определенной химической стойкости материала. Эти требования можно выразить следующими стандартными характеристиками пласт­масс: разрушающим напряжением при растяжении, ударной вязкостью, относительным удлинением при разрыве, химической стойкостью.

Технологические требования определяют способность материала к переработке в тару заданной формы наиболее эффективными способа­ми. Очевидно, что самой удобной формой для фасовки моющих паст по 500 г потребления и других этапов жизненного цикла является прямоу­гольная коробочка. Ее можно производить с наибольшей эффективнос­тью методами литья под давлением из гранул или термоформования из толстых пленок или тонких листов. Стандартными технологическими характеристиками материалов для этих методов переработки являются показатель текучести расплава и кратность вытяжки материала.

Экономические требования можно охарактеризовать оптовой ценой материала и стоимостью его переработки в тару. Косвенно эти характе­ристики определяют себестоимость производства тары.

Перечисленные стандартные характеристики и балльная оценка сте­пени удовлетворения требованиям в зависимости от их численного зна­чения приведены в табл. 7.16.

Таблица 7.16

Основные характеристики полимерных материалов, используемых

Затем экспертная комиссия, например, из пяти высококвалифици­рованных экспертов проводит сравнительную оценку выбранных стан­дартных характеристик. Характеристики каждый эксперт оценивает попарно: более значимая характеристика получает 1,5 балла, менее зна­чимая — 0,5 балла, равнозначные — по 1 баллу. По среднеарифметичес­кому значению установленных всеми экспертами баллов определяют среднечисловые показатели значимости характеристик. Например, при сравнительной оценке значимости пары характеристик — разрушающее напряжение при растяжении X, и ударная вязкость Х2 — определены следующие среднечисловые показатели их значимости:

ЛГ, - <0,5 + 1 + 1 + 0,5 + 1): 5 - 0.8; Х2 “ (1,5 + 1 + 1 + 1,5 + 1): 5 ~ 1,2.

По результатам такого попарного сравнения всех характеристик за­полняют матрицу сравнительных оценок (табл. 7.17).

Таблица 7.1 7

Матрица сравнительных оценок стандартных характеристик полимерных материалов, используемых при изготовлении тары

Для моющих паст

Сумму всех среднечисловых показателей значимости каждой харак­теристики указывают в графе «сумма оценок». Так, для характеристи­ки X. эта сумма составляет

=0,8 + 1,4+0,7 + 1,3+1,4 + 0,8+0,9 = 7,3.

Коэффициент приоритета Кп определяют делением суммы среднечис-

І

Ловых показателей характеристики IX. на общую сумму оценок :

І

Общая сумма оценок (см. табл. 7.18)

£*і=7,3+7,5+5,1+7,9+6,0+4,7+9,1+8,4=56.

1

Коэффициент приоритета для характеристик X составляет

7,3

По значению коэффициента приоритета определяют приоритет харак­теристик, являющийся базой интегральной оценки для выбора поли­мерного материала.

Интегральную оценку можно проиллюстрировать для выбора мате­риала тары, получаемой методом термоформования. Для этого метода предпочтение можно отдать следующим материалам: полистирольной ленте (ТУ 6-05-1313-80), листам из АБС-пластика (ТУ 6-05-31-76), листам из винипласта (ГОСТ 9639-71), листам из полиметилметакри - лата (ГОСТ 10667-74) и листам из нитрилбутадиенстирольного плас­тика СНП марки Б (ТУ 6-05-1770-76).

Значения стандартных характеристик перечисленных материалов приведены в левых столбцах табл. 7.18. В правых столбцах указана в баллах оценка степени удовлетворения стандартных характеристик по сравнению с наилучшими. Эту оценку проводят на основании данных табл. 7.16, затем каждую оценку в баллах умножают на соответствую­щее значение коэффициента приоритета из табл. 7.17. По сумме произ­ведений коэффициента приоритета на степень удовлетворения стандар­тной характеристики Б определяют приоритет материала П:

П=£Б .Кп.

Для полистирола эта сумма составляет Пж =3-0,130 + 2-0,134 + 10-0,091 + 8-0,141 + 8-0,107 + 9-0,084 + 9-0,163+ 9-0,150 = 7,125.

Таким образом, по степени эффективности использования матери­алы для производства упаковки моющих паст можно расположить в последовательности: ПС, СНП, АБС, ПММА, ВП.