|
Чтобы костюмчик сидел
Summary:
Каждый упаковочный материал имеет свою специфику, поэтому стоит заранее оценить, как он «уживется» с вашим оборудованием. Только в этом случае вы сможете получить действительно качественную и красивую упаковку.
Понимая, что все виды и типы упаковочного и фасовочного оборудования охватить в статье не удастся, ограничимся разговором об оборудовании, которое фасует и упаковывает продукты или упаковывает отдельные предметы в создаваемые им пакеты из гибких термосвариваемых упаковочных материалов. Это оборудование, несомненно, самое распространенное из всего фасовочно-упаковочного.
Даже если вам удалось найти оптимальный с точки зрения условий хранения продукта материал, нанести на него привлекательный рисунок, подобрать удачный "фасон", то есть форму упаковки, это вовсе не значит, что "платье" вашего продукта будет "хорошо сидеть". Виновниками неудачи оказаться, прежде всего, швы, получаемые методом сварки.
В оборудовании, которое образует пакеты из гибких термосвариваемых материалов, в том числе комбинированных и многослойных, используются чаще всего устройства термоконтактной сварки, называемой еще "сваркой постоянно нагретыми элементами" (губками, роликами, роторами и т. д.). Иногда такую сварку называют просто "тепловой". Английские авторы Дж. Бристон и Л. Катан под термином "тепловая сварка" объединяют несколько способов сварки (включая и термоконтактный). И в этом они, несомненно, правы: любой способ сварки полимеров обязательно включает подвод к ним тепла и давления.
Термоконтактный способ сварки - самый старый. Он появился задолго до полимерных пленок - в 1930-х гг., когда для получения упаковок стали использовать, покрытый термоплавким лаком, целлофан. Этот способ подходит для сваривания подавляющего большинства комбинированных и многослойных упаковочных материалов. Однако иногда он подводит, и швы получаются некрасивыми, неровными или просто не образуются.
Материалы для выставки
Обратите внимание, какие комбинированные материалы, в которых присутствуют полимерные пленки, наиболее широко используются на упаковочных выставках для демонстрации возможностей автоматов и автоматических машин, образующих пакеты. Чаще всего, это бумага/полиэтилен и ПЭТ/полиэтилен, несколько реже - ПЭТ/фольга/полиэтилен. Другие материалы, в том числе с наружным слоем из БОПП, появляются лишь в тех случаях, когда экспонент не заказывает специальный "демонстрационный" материал, а пользуется остатками того, который был получен от заказчика оборудования для проведения заводских испытаний.
Дело в том, что бумага/полиэтилен - наиболее дешевый из комбинированных материалов; на бумаге легко и, следовательно, дешево наносить печать. ПЭТ/полиэтилен и ПЭТ/фольга/полиэтилен стоят дороже, но их преимущества в демонстрации машин по сравнению с другими материалами очевидны. Наружный слой всех этих материалов обеспечивает хорошее сцепление с органами, перемещающими их в процессе создания упаковок. Достаточная жесткость (которая увеличивается в порядке перечисления материалов) позволяет получить, хорошо выглядящие, пакеты самой разнообразной формы. Производители оборудования знают, что эти материалы не преподнесут "каверзы" при сваривании. Хорошее сцепление и хорошая свариваемость (в том числе при возможных перепадах напряжения при нестационарном подключении электропитания в условиях выставочного павильона) обеспечивает высокую производительность оборудования.
Условия сварки
Краткая характеристика условий сварки полимерных материалов дана Э. Гениным в книге "Полимерные пленочные материалы" (1976). Материал должен быть нагрет до температуры выше температуры текучести кристаллического полимера или температуры плавления аморфного полимера, но ниже температуры деструкции и сдавлен с определенным усилием. Величины давления, необходимой для сварки, Э. Генин также коснулся, но в нашем случае это не столь интересно. А вот о температуре сварки и температуре нагрева сварочных элементов машин стоит поговорить.
Температура сварки
Следует отметить, что исследования, проведенные западногерманскими учеными еще на стыке 1960-х и 1970-х гг., доказали что при кратковременной (0,05-0,2 сек) сварке комбинированных материалов температура свариваемого слоя может превышать температуру деструкции полимера. Ряд отечественных специалистов, ссылаясь на эти исследования, напоминают, что перегрев упаковочного материала, не влияя на свойства свариваемого слоя, может вызвать нарушения наружных или промежуточных слоев комбинированного или многослойного материала. Например, при невысокой производительности оборудования перегрев сварочных губок может вызвать подпаливание бумаги в материале бумага/полиэтилен. На качестве швов это не скажется, а вот внешний вид пострадает. Согласитесь, рыжие пятна на пакете вряд ли будут способствовать привлечению покупателей. При высоких скоростях, которые производители оборудования стремятся показать на выставках (благо обычная практика демонстрации оборудования на незаполненном пакете способствует этому), даже в случае перегрева рабочих органов, бумага не успевает подгорать. Вот поэтому очень удобно демонстрировать оборудование на материале бумага/полиэтилен. А еще меньше боится "жары" ПЭТ, температура плавления которого составляет 250-260° С.
Температура, до которой надо нагревать губки, ролики и прочие сварочные элементы фасовочных автоматов и упаковочных машин, зависит от многих условий. От температуры плавления внутреннего (термосвариваемого) слоя материала. От производительности оборудования (чем выше производительность, тем выше температура сварочных элементов). От формы элементов (сварочные ролики имеют меньшую площадь контакта и время контакта с упаковочным материалом, нежели губки, и их нагревают сильнее). От толщины материала, от свойств наружного и промежуточных слоев.
В комбинированных и многослойных упаковочных материалах в качестве свариваемого слоя чаще всего используется полиэтилен низкой плотности (ПЭНП), называемый также полиэтиленом высокого давления (ПЭВД). Температура его плавления - 108-112° С. Температура деструкции ПЭНП - чуть выше 300° С. Температура сварки пленки из ПЭНП в разных источниках называется разная: от 115-145° С до 120-220° С. Температура сварочных элементов при сварке толстой бумаги, покрытой полиэтиленом (автомат для фасования молока в пакеты-пирамидки), составляет 280-290° С, температура сварочных элементов при сварке материала целлофан/полиэтилен (ПЦ или цефлен) - 170-180° С.
По крайней мере, в части из комплекта сварочных элементов автоматического оборудования устанавливаются приборы, измеряющие температуру рабочих поверхностей элементов. Прибор - задатчик температуры, работая в паре с термометром, поддерживает необходимую температуру рабочих поверхностей, периодически включая и выключая ТЭНы или спирали, установленные внутри сварочных элементов. Точность, с которой поддерживается температура рабочих поверхностей, зависит от точности приборов и от того, насколько близко к рабочей поверхности располагается термометр. Надо сказать, что умудриться расположить прибор измерения температуры таким образом, чтобы он мерил температуру рабочей поверхности, а не тела сварочной губки, - не самая простая конструкторская задача. Дело в том, что с целью уменьшения расхода электроэнергии на нагрев "привилегированное" положение вблизи рабочих поверхностей традиционно занимают нагреватели.
Капризный БОПП
Выше мы назвали несколько термосвариваемых упаковочных материалов, для которых перегрев не представляет особой опасности, но есть и материалы, при использовании которых необходимо держать на рабочих поверхностях температуру в жестких пределах. К таким материалам относятся получившие широкое распространение комбинированные и многослойные упаковочные материалы с наружным слоем из БОПП-пленки.
Полипропиленовая пленка после ориентирования приобретает целый ряд новых положительных свойств, которых нет у неориентированной пленки. Недостаток же приобретается, по сути, один: сварить ее можно только некоторыми сложно осуществимыми, дорогими и малопроизводительными способами. О процессах, происходящих в ориентированной пленке при попытке нагреть ее при сварке, можно узнать в специальной литературе, мы же ограничимся фразой из "Энциклопедии полимеров": "В случае термической сварки ориентированных полиолефиновых пленок возможны релаксационные явления, которые делают шов сморщенным и непрочным. Поэтому в данном случае предпочитают сварку ультразвуком или термическую сварку пленок с нанесенным на них полимерным покрытием, имеющим более низкую температуру размягчения". К сожалению, и покрытия при некоторых условиях не могут полностью исключить релаксацию или, попросту говоря, усадку материала.
Дж. Бристон и Л. Катан в книге "Полимерные пленки" приводят диапазоны температуры сварки БОПП-пленки при разных покрытиях. Соэкструзионная (правда, не указано, с каким полимером) пленка - 88-150° С. С поливинилденхлоридным (ПВДХ) покрытием - 120-150° С. С акриловым покрытием - 110-150° С. Обратите внимание: верхний предел - 150° С - одинаков. Объясняется это тем, что процесс ориентации полимерной пленки заключается в растяжении ее в нагретом состоянии в одном или двух направлениях. Но у большинства пленок после этого при нагреве примерно до 100° С происходит релаксация. Чтобы увеличить температуру, при которой начинаются релаксационные процессы, пленку подвергают термофиксированию. Ориентированную пленку нагревают при определенных условиях, удерживая ее в натянутом состоянии. Температура нагрева не должна превышать температуру плавления. А температура плавления полипропилена - 165-170° С. При температурах, близких к температуре термофиксирования, в БОПП-пленке начинаются релаксационные явления. При сваривании пленки это приводит к тому, что в лучшем случае шов будет "корявым", так сказать, "в среднем случае", к тому же непрочным, ну, а в худшем - шва просто не получится.
Сравните предельную допустимую температуру нагрева БОПП-пленки (150° С) с указанной выше температурой сварки традиционного свариваемого слоя - ПЭНП. Именно поэтому к фасовочно-упаковочному оборудованию, в котором для образования пакетов используются материалы на основе БОПП-пленки, предъявляются достаточно жесткие условия по поддержанию температуры сварочных элементов в заданном режиме.
Но, даже если с поддержанием температуры все в порядке, в некоторых случаях очень трудно, сваривая упаковочный материал, не перескочить температурный порог сваривания внутреннего слоя и не выйти на температуру релаксации БОПП-пленки.
Рассмотрим, например, упаковочный материал БОПП/алюминиевая фольга/ПЭНП. Алюминий обладает хорошей теплопроводностью, значит, часть тепла он будет обязательно отводить от зоны сварки, и, следовательно, наружный БОПП-слой придется дополнительно нагревать. Представим, что из такого материала надо получить так называемый "стоячий пакет" (его же называют "пакет со складкой", "пакет с гассетом"). В месте нахождения продольного шва пакета и в его углах (там, где проходят складки) образуются по четыре слоя упаковочного материала. И все их надо прогреть. Можно ли в этом случае полностью исключить возможность релаксационных явлений полипропиленовой пленки? Вряд ли.
Сейчас иногда вместо фольги применяют металлизированную БОПП-пленку. На пленку в вакууме напыляют тонкий (в несколько микрон) слой металла, обычно алюминия. Такая технология при сохранении некоторых барьерных свойств фольги сокращает расход металла. Понятно, что теплопроводность у такого тонкого слоя ниже, но все же отвод тепла из зоны сварки будет происходить, значит, и в этом случае возможна релаксация.
Пример "наоборот" - жемчужная БОПП-пленка. Красивый перламутровый блеск достигается за счет вспенивания полипропилена или специальных добавок. Не знаем, как влияют на теплопроводность пленки добавки, но микропузырьки обязательно послужат теплоизолятором. Опять надо дополнительно нагревать полипропилен и бояться релаксации.
В возможной релаксации могут быть виноваты не наружный или промежуточные слои, а термосвариваемый. Не столь давно на рынок стали поступать комбинированные и многослойные материалы, у которых в качестве термосвариваемого слоя используется не традиционный ПЭНП, а сополимер этилена и полипропилена (СЭП). Понятно, почему производители материалов стали его использовать: СЭП обладает хорошими адгезионными свойствами по отношению и к пропилену, и к фольге, и к некоторым другим материалам. Но как быть производителям техники и фасовщикам, когда температура плавления СЭП - 120-140° С? А ведь, как говорилось раньше, для сваривания полимера надо нагреть его выше температуры плавления. Ой, как трудно не перескочить на температуру релаксации БОПП!
Не утверждаем, что релаксационные явления обязательно проявятся при сваривании материалов, наружный слой которых состоит из БОПП-пленки. Но если температура рабочих органов сварочных элементов поддерживается недостаточно точно, эти явления, увы, возможны.
Не только материалы на основе БОПП-пленки могут преподнести "каверзы" при образовании швов пакетов. Некогда, при наладке фасовочного автомата, автор здорово помучился с материалом, который в сопроводительной документации назывался "полиамид/фольга/полиэтилен". Трудно сказать, какой марки это был полиамид (ПА), ведь пленки из большинства марок ПА прекрасно "держат" высокую температуру, и был ли вообще наружный слой из ПА. Но материал никак не хотел свариваться, зато хорошо прилипал к сварочным губкам автомата. Времена были советские: потребителю "распределили" этот материал, и другого просить он не решился. Автомат заработал при производительности заметно ниже паспортной только тогда, когда губки покрыли специальным антиадгезионным слоем.
И все-таки, на наш взгляд, в том, что упаковочные материалы и фасовочно-упаковочное оборудование "не сживаются", виноваты чаще производители и наладчики оборудования, а не производители материалов. Хотя последние могли бы как-то облегчить жизнь первым. Почему бы, к примеру, не подумать о материале с БОПП-пленкой, свариваемый слой которого обладал бы возможно более низкой температурой плавления?
Сварка с раздельным подводом тепла и давления
Но даже из прекрасного материала весьма трудно "сшить" качественную "одежку" для продукта, если упаковочное оборудование спроектировано таким образом, что некоторые материалы оно просто провоцирует на несвариваемость. Уже говорилось, что задача точного поддержания температуры сварочных губок, совершающих возвратно-поступательное движение, достаточно сложна. Но гораздо труднее подвести электропитание к нагревателям, а тем более снять точные показатели температуры вращающихся сварочных элементов - роликов, сварочных роторов и т. п. Чтобы этого избежать, производители техники иногда применяют на автоматах и машинах непрерывного действия для получения продольных швов так называемую сварку с раздельным подводом тепла и давления. Края комбинированного или многослойного упаковочного материала (места будущих швов) проводят через узкую щель между двумя неподвижными горячими колодками, где они разогреваются, а затем сдавливают холодным роликом.
Но между местом нагрева и местом сдавливания всегда будет оставаться пространство (хотя проектировщики стараются его уменьшить), где материал будет остывать. Вот и приходится нагревать материал до температуры заведомо более высокой, чем требуется для сварки. Для многих материалов такой перегрев не страшен, а для БОПП-пленки - смотри выше.
Советы начинающим
Упаковочные материалы, тара и упаковочная техника не могут существовать друг без друга. И развиваются они параллельно, подталкивая друг друга на прогресс. Но упаковщику придется очень трудно, если они проявят свой "неуживчивый характер".
Обо всех причинах такой "неуживчивости" рассказать невозможно. Поэтому позвольте дать несколько советов начинающим фасовщикам и упаковщикам.
Подыскивая фасовочно-упаковочное оборудование, сразу же подумайте, в какие материалы вы будете упаковывать свой продукт. Обсуждая с производителем или продавцом предлагаемое вам оборудование, по возможности конкретнее называйте упаковочный материал.
Договоритесь, чтобы заводские испытания у производителя или испытания после предпродажной подготовки у продавца производились на том самом материале, в который вы будете фасовать продукт в условиях вашего производства.
Стоит даже привезти производителю или продавцу небольшое количество этого материала (достаточно одного, максимум, двух рулонов). Дело в том, что у продавца или производителя на момент испытаний может просто не оказаться под рукой нужного материала. Так как сроки поставки обычно поджимают, оборудование испытают на том, что есть. А даже очень похожий материал может оказаться "не вовсе тем".
Понятно, что это дополнительные хлопоты для потребителя оборудования и материала. Но они могут оказаться не лишними. Они могут существенно сократить пуско-наладочные работы на вашем предприятии.
Уже имея оборудование, при переходе на новый упаковочный материал постарайтесь добыть небольшое количество этого материала и испытать оборудование на нем. "Добыть" - потому что поставщики упаковочных материалов обычно предлагают партию в тонну, редко кто - в полтонны. Опять хлопоты. Но пусть лучше они, чем тонна упаковочного материала, который "не пошел".
Владимир Ульянов
2004 #7
|
