Производство полимерной упаковки

Наблюдаемое в настоящее время в России становление машиностроительной индустрии, обеспечивающей реализацию технологических процессов производства полимерной тары и упаковки, как и всякая новация, сопровождается появлением всякого рода проблем, на которые и хотели бы обратить ваше внимание.

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 (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

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.

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

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.
Метод инжекционно-раздувного формования заключается в том, что на первой стадии процесса методом литьевого формования (см. выше) получают трубчатую заготовку, называемую преформой, которую затем раздувают в полое изделие. Данный метод может осуществляться по двум технологическим схемам. Первая из них предусматривает раздувное формование полученных заготовок сразу, после стадии литьевого формования. Для этого литьевые машины, обеспечивающие формование заготовок, оснащаются дополнительным узлом, в котором осуществляется раздувание заготовок в изделия. В этом случае отливаемые трубчатые заготовки, остающиеся на полых сердечниках, после раскрытия литьевой формы переносятся в узел раздувного формования, оснащённый раздувными формами, в котором и происходит раздувание заготовок в изделия. В соответствии со второй схемой (рис.3) стадии получения заготовок и их раздувного формования в изделия осуществляются отдельно друг от друга. В этом случае для получения преформ применяются обычные литьевые машины, оснащённые формующим инструментом, но стадия раздувного формования преформ в изделия осуществляется на специальных раздувных линиях, содержащих бункер-накопитель, устройство для ориентации и перемещения заготовок, устройство для разогрева заготовок 1, узел раздувного формования разогретых заготовок 2 в изделия 5, оснащённый раздувными полуформами 4



Рис. 3. Схема формования изделия из инжекционной заготовки

и раздувным ниппелем 3. К преимуществам данного метода следует отнести высокую степень механизации и автоматизации, а также высокую производительность оборудования: линии для раздувного формования полых изделий из инжекционных заготовок, выпускаемые фирмами "Сидель" (Франция), "Крупп-Каутекс" (Германия), позволяют производить от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч изделий в час. Недостатки этого метода формования заключаются в высокой стоимости основного технологического оборудования и формующего инструмента, используемого для его реализации; во-вторых, промышленном использовании практически пока только одного полимерного материала - полиэтилентерефталата. Кроме того, производимые изделия также обладают разнотолщинностью.

Метод пневмо - и вакуумформования полимерных изделий (рис.4) заключается в том, что закреплённая по контуру в зажимном устройстве 4 и установленная над формой (формующей матрицей) 3 плоская (листовая или плёночная) заготовка 1 разогревается нагревательным устройством 2 до определённой температуры, а затем под действием перепада давления, создаваемого между поверхностями заготовки, происходит её формование в изделие 5. Известно много разновидностей данного метода, в которых перепад давлений обеспечивается различными способами. Наибольшее распространение получили два из них: создание избыточного пневматического давления над заготовкой и вакуумирование объёма полости под ней.



Рис.4. Схема вакуумного формования

Данный метод реализуется на различных типах вакуумформовочных машин, установках для механопневмоформования и разного рода нестандартном оборудовании. К его основным достоинствам следует отнести возможность производства крупногабаритных изделий, простоту технологии, относительно невысокую стоимость основного оборудования и формующего инструмента. Основные недостатки связаны с невысокой производительностью, наличием вспомогательных технологических операций (раскрой и вырезка заготовок для формования, механическая обработка готовых изделий), зависимостью от наличия исходных заготовок и достаточно большим количеством технологических отходов. Развитие и совершенствование метода направлено на создание автоматизированных машин и линий, обеспечивающих высокую производительность и отсутствие дополнительной механической обработки изделий в сочетании с их удовлетворительным качеством.
Метод механотермоформования (рис.5) отличается от метода пневмо- и вакуумформования только тем, что формование изделия 5 из плоской заготовки 1 осуществляется за счёт поступательного перемещения формующего пуансона 3, вытягивающего предварительно нагретую устройством 2 заготовку, закреплённую в зажимном устройстве 4.



Рис.5. Схема механотермоформования

Метод реализуется на вакуумформовочных машинах, специальном штамповочном оборудовании и линиях производства тары из рулонных материалов. Соответствующие современные автоматические линии (например, германской фирмы "Иллиг") характеризуются очень высокими параметрами: скорость движения рулонного материала достигает нескольких десятков метров в минуту, а штучная производительность – до десятков тысяч изделий в час. Это обеспечивает конкурентоспособность метода даже по отношению к литьевому формованию изделий из полимеров. К основным его недостаткам следует отнести зависимость от наличия листового или рулонного материала, относительно большое количество отходов и ощутимую разнотолщинность получаемых изделий.

Экономическая целесообразность той или иной технологии определяется, прежде всего, серийностью производства изделия, что наглядно демонстрируется сравнительными данными, приведёнными в таблице, где за относительные условные единицы капитальных затрат и себестоимости производства 20-литровой ёмкости из полиэтилена приняты параметры, соответствующие её формованию пневмовакуумным методом.

Кроме рассмотренных технологических методов, обеспечивающих, как правило, производство жёстких видов полимерной тары и упаковки, существуют технологии производства мягких упаковочных средств, к которым относятся полимерные плёнки и изделия из них (пакеты, мешки и т.п.). Заметим, что в популярной литературе достаточно часто понятие "полимерные плёнки" связывают с неким понятием "гибкие упаковочные материалы ". Хотелось бы обратить внимание на бессмысленность последнего понятия вообще: можно говорить лишь о свойстве различных материалов, полимерных в том числе, сопротивляться деформированию, вызываемому внешней нагрузкой. А вот сама сопротивляемость связывается в технике с совершенно чётким и давно известным понятием о жёсткости конструкции (именно конструкции, а не материала), определяемой её геометрией и свойствами материала, из которого она изготовлена. Если говорить о конструкциях, жёсткость которых мала и которые, как следствие, не могут передавать изгибающих моментов, то такие конструкции, изготовленные из металлов, называются безмоментными ( безмоментные оболочки, мембраны), а из полимерных материалов – мягкими. Кстати, именно по критерию относительной жёсткости плоские полимерные изделия делятся на листы и плёнки.

Методы производства и экономические показатели, отн. усл. ед.	Годовой выпуск изделий, тыс. шт.
	10	100	1000
Инжекционно-раздувное формование: капитальные затраты ……………. себестоимость ……………………. Пневмовакуумное формование: капитальные затраты ……………. себестоимость ……………………. Экструзионно-раздувное формование: капитальные затраты ……………. себестоимость …………………….	1,3 1,2 1,0 1,0 1,7 0,88	1,3 0,7 1,3 0,8 1,7 0,64	1,9 0,38 2,0 0,54 2,3 0,45

Производство полимерных плёнок базируется на экструзионных технологиях, реализация которых имеет две разновидности. Технологию производства рукавных плёнок можно пояснить на примере работы плёночной линии (рис.6).



Рис.6. Линия для производства рукавных плёнок

Полимерное сырьё в виде гранул из загрузочного бункера 1 захватывается вращающимся шнеком червячного пресса 2 и транспортируется им внутри цилиндра
пресса, расплавляясь и гомогенизируясь. Далее получаемый расплав полимера продавливается вращающимся червяком через кольцевую экструзионную головку 10, выходя из неё в виде трубчатой заготовки 3, которая раздувается сжатым газом в рукавную плёнку 4, охлаждаемую обдувочным кольцом 9. Полученная рукавная плёнка складывается специальным устройством 5 и "отбирается" тянущим устройством 6, с которого затем поступает на устройство 8, обеспечивающее сматывание её в рулон 7.

Однако не все полимерные материалы способны раздуваться в оболочечные конструкции, и описанная технология не годится для производства плёнок из таких материалов. В таких случаях применяют так называемый плоскощелевой метод, в соответствии с которым расплав полимера экструдируется через плоскощелевую экструзионную головку в виде полотна, которое "калибруется" в зазоре двух- или многовалковых гладильных каландров и окончательно охлаждается на рольганге ( иногда и путём водяного орошения). Существующие технологии производства полимерных плёнок обеспечивают получение как однослойных, так и многослойных плёнок; производство последних сопряжено с большими сложностями как технологического, так конструктивного характера.

В заключение обратим внимание на один из самых важных аспектов производства полимерных тароупаковочных средств, которому, даже в специализированных отечественных периодических изданиях не уделяется должного внимания, что не поддаётся никакому разумному объяснению Речь о том, что ни одно тароупаковочное полимерное средство не может быть изготовлено без формующего инструмента, которым должен быть оснащён тот или иной тип технологического оборудования. Производители же оборудования, как правило, формующим инструментом его не комплектуют (исключение составляют лишь плёночные линии). Эта ситуация вполне понятна и объяснима: производитель оборудования не может позволить себе заранее проектировать, а тем более изготавливать формующий инструмент "на все случаи жизни". Более того, в зависимости от сложности проектируемого к производству изделия, выбранной технологии его изготовления стоимость формующего инструмента может достигать уровня стоимости самого технологического оборудования. Например, оснащение экструзионно-раздувного агрегата угловой экструзионной головкой, обеспечивающей "программирование" толщины стенки экструдируемой заготовки, почти вдвое увеличивает его стоимость. В индустриально развитых странах эта проблема решена - там уже давно существуют специализированные фирмы, занимающиеся вопросами проектирования и изготовления формующего инструмента для переработки полимеров. У нас, в России, решение этой проблемы находится пока в зачаточном состоянии. Это приводит к тому, что проектируемый не всегда профессионально подготовленными специалистами формующий инструмент не может обеспечить производство изделий, качество которых отвечало бы мировым стандартам. Кроме того, не следует забывать, что проектируемый формующий инструмент для производства того или иного вида изделий во многом, если не вообще, определяет выбор типоразмера оборудования. Отсюда следует, что выбор оборудования и проектирование формующего инструмента - неразрывно связанные задачи, решение которых должно оптимизировать производственный процесс. В противном случае формующий инструмент либо вообще нельзя установить на оборудование, либо оно работает не на полную технологическую мощность, снижая экономические показатели производства.

Изложенное показывает, что производство тары и упаковки из полимерных материалов - весьма сложный, многоуровневый процесс, успешная реализация которого требует глубокой профессиональной подготовки не только в области экономики и технологий переработки полимеров, но прежде всего в области конструирования оборудования и формующего инструмента.