Свойства термоусадочной пленки

Термоусадочными называются полимерные пленки, способные сокращаться под воздействием температуры, превышающей температуру размягчения полимера. Получают такие пленки растяжением полимерного материала в высокоэластичном нагретом состоянии и последующим охлаждением. Следствием этого является направленная ориентация молекулярных цепей полимера и возникновение в них напряжений.При последующем охлаждении и затвердевании эти деформации и напряжения фиксируются в материале в результате протекания процессов стеклования и кристаллизации. При повторном нагревании в таких пленках протекают релаксационные процессы,и они стремятся вернуться к своим первоначальным размерам. Эту способность обратного возвращения называют "памятью полимера" или термоусадкой.

Термоусадочные пленки могут быть изготовлены из многих кристаллизующихся термопластов, в том числ

 

е из полиэтилена низкой и высокой плотности, полипропилена, сополимеров этилена с винилацетатом, поливинилхлорида, сополиме

ров винилиденхлорида и винилхлорида (повидена), полистирола, гидрохлорида полиизопрена (эскаплена)и других. Основные характеристик

и термоусадочных пленок приведены в таблице 1. Наибольшее распространение получили термоусадочные пленки из полиэтилена низкой плотности, обладающие удовлетворительной механической прочностью в интервале температур от —50 до +50 ⁰ С, легко сваривающиеся, эластичные и инертные по отношению к большинству упаковываемых веществ и имеющие невысокую стоимость.

 

 Таблица 1. Основные характеристики термоусадочных пленок.

Наименование полимера	Плотность, г/см3	Степень усадки, %	Напряжение усадки, МПа	Температура усадки, 0C	Температура сварки, 0C
Полиэтилен низкой плотности	0,92	15 —50	0,3 —3,5	120 —150	150 —200
Полиэтилен низкой плотности радиационно-модифицированный	0,92	70 —80	1,0 —3,5	110 —210	170 —230
Полипропилен	0,9	70 —80	2,0 —4,0	150 —230	175 —200
Поливинилхлорид	1,4	50 —70	1,0 —2,0	110 —155	135 —175
Сополимер винилиденхлорида и винилхлорида (повиден)	1,65	30—60	1,0 —1,5	95 —140	200 —315
Полистирол	1,05	40 —60	0,7 —4,0	130 —160	120 —150
Гидрохлорид полиизопрена (эскаплен)	1,1	30 —50	1,0 —2,5	100 —150	180 —250

 

Термоусадочные пленки из полипропилена в сравнении с полиэтиленовыми отличаются повышенной жесткостью и более высокими прочностными показателями.Они менее подвержены растрескиванию под действием остаточных напряжений, прозрачны, обладают пониженной проницаемостью по отношению к водяным парам и различным ароматическим веществам. Например, термоусадочная пленка из повидена представляет собой эластичный, высокопрозрачный, физиологически безвредный паро-и газонепроница- емый материал, стойкий к маслам, жирам и многим другим агрессивным химическим веществам и т.д. Термоусадочные пленки получают также на основе радиационно-модифицированного полиэтилена. Воздействие ионизирующей радиации в процессе изготовления термоусадочных пленок позволяет повысить их термостойкость, напряжение усадки, улучшить прочностные свойства.

Важными характеристиками термоусадочных пленок являются степень усадки (коэффициент усадки)и напряжение усадки.

Степень усадки характеризуют отношением линейных размеров образца до и после усадки; она определяется по формуле: 
К_ус =(1₀—1) / 1₀*100% 
где 1о и 1 – длина образца до и после усадки.

Как уже отмечалось, при производстве термоусадочных пленок в них фиксируются напряжения растяжения (ориентации) молекулярных цепей полимера. При нагревании пленки до высокоэластичного состояния эти напряжения освобождаются и, возвращая молекулярные цепи в исходное состояние, усаживают пленку. Если же воспрепятствовать процессу усадки приложением внешней силы, то можно измерить развиваемое пленкой усилие усадки. Напряжение усадки, ус, возникающее в ориентированном материале при его нагревании, определяется отношением силы усадки к поперечному сечению образца пленки до усадки и выражается в МПа. Напряжение усадки зависит от температуры и продолжительности нагрева пленки. При невысокой температуре нагрева для усадки пленки требуется больше времени, а при высоких температурах – время усадки может быть незначительным. В зависимости от степени усадки в продольном и поперечном направлениях различают пленки одноосно-ориентированные и двухосно-ориентированные. Одноосно-ориентированные пленки усаживаются преимущественно в одном направлении: например, в продольном на 50 — 70%,а в поперечном на 10—20%. Двухосно-ориентированные пленки сокращаются в обоих направлениях с одинаковой или различными степенями усадки: например, в продольном направлении на 50...60%, а в поперечном – на 35 —45%.

В зависимости от метода производства и требований потребителей термоусадочные пленки выпускаются толщиной от 20 до 250 мкм с предельным отклонением по толщине не более +20% от заданной. Поставляются они рулонами в виде рукава, полурукава или полотна.В процессе производства эти пленки могут быть модифицированы разного рода добавками,придающими им специальные свойства, в том числе ингибиторами коррозии (защищают от коррозии металлические изделия), светостабилизаторами (увеличивают срок службы на открытом воздухе), окислителями избирательного действия и антиоксидантами (повышают долговечность пленок), окрашивающими пигментами и другими веществами, например, исключающими при усадке прилипание пленки к полимерным пакетируемым изделиям. Пакетирующие оболочки из термоусадочной пленки широко применяются для скрепления транспортных пакетов как самостоятельно, так и в комплекте с другими средствами пакетирования, в том числе плоскими поддонами, подкладными листами и рамками. В оболочку из термоусадочной пленки могут помещаться единичные изделия, группа изделий или упаковочных единиц и транспортные пакеты или блок-пакеты на поддонах или без них.

В первом случае каждое отдельное изделие обертывается пленкой, которая после усадки плотно облегает его поверхность, повторяя в общих очертаниях конфигурацию изделия.

Во втором случае комплектуется набор (группа) из нескольких однотипных или разнотипных изделий (упаковочных единиц), скрепляемых оболочкой из термоусадочной пленки в плотный пакет. Изделия при этом могут укладываться на специальные подложки, лотки, подкладные листы и рамки, выполняющие вместе с оболочкой функцию транспортной упаковки.

В третьем случае из штучных изделий, транспортных единиц или пакетов на плоском поддоне или без него формируют многоярусный транспортный пакет или блок-пакет и скрепляют его плотно облегающей пакетирующей оболочкой, выполненной из термоусадочной пленки. роцесс пакетирования грузов термоусадочными оболочками включает следующие операции:

• формирование многоярусного транспортного пакета, по возможности с перевязкой, на поддоне или без него;

• обертывание пакета термоусадочной пленкой;

• сварку краев пленки и формирование пакетирующей оболочки;

• нагревание, усадку и охлаждение пакетирующей оболочки.

Оболочки из термоусадочной пленки по конструктивному исполнению подразделяются на обандероливающие, полностью обертывающие и зачехляющего типа.

Обандероливающие пакетирующие оболочки покрывают группу изделий (упаковочных единиц) или транспортный пакет (блок-пакет) по периметру полностью, а на торцевых сторонах имеют отверстия. Выполняются они из пленочного полотна, поступающего с двух рулонов и соединяемого по краям двумя продольными сварными швами (рис.1а) или поступающего с одного рулона и соединяемого одним продольным швом (рис.1б).

При этом пленочное полотно принимается по ширине значительно большим длины пакета и при усадке, выступающие края пленки затягиваются на его торцевые стенки. В результате оболочка получается с отверстиями площадью 0,3 —0,5 от торцевой поверхности пакета.

При полном обертывании пленочная оболочка полностью покрывает транспортный пакет или группу изделий (упаковочных единиц). При выполнении таких оболочек из пленочного полотна, поступающего с двух рулонов, края пленки соединяют между собой герметичными сварными швами выполненными по периметру (с четырех сторон) пакета (рис.1в). Если же эта оболочка выполняется из пленочного материала, поступающего с одного рулона или полурукавной пленки, то ее края соединяют герметичными сварными швами с трех сторон пакета (рис.1г). А при использовании рукавной пленки – края оболочки соединяют между собой двумя герметичными поперечными сварны- ми швами, расположенными на противоположных сторонах пакета (рис.1д). ля скрепления транспортных пакетов пакетирующими оболочками зачехляющего типа из рукавной термоусадочной пленки изготавливаются чехлы путем соединения сварным швом верхних краев отрезка рукава. Затем такой чехол расправляют по периметру в прямоугольник, надевают сверху на сформированный на жестком основании (плоском поддоне) транспортный пакет так, чтобы нижний край чехла находился несколько ниже поддона, и усаживают нагревом. При этом пленка сокращается, нижний край чехла затягивается под поддон, и оболочка прочно скрепляет транспортный пакет со всех сторон (рис.1е). В частности,на автоматизированном пакетирующем комплексе модели FSA известной фирмы "Mollers" (ФРГ)этот процесс осуществляется следующим образом.В автомате-укладчике комплекса на плоском поддоне формируется из тарно-штучных грузов транспортный пакет и передается транспортером в зачехляющий автомат. Здесь захваты находящейся в верхнем положении рамы автомата вводятся в нижний торец сматывающейся с рулона рукавной пленки, расправляют его в прямоугольник по размерам пакета и, подачей внутрь через пальцы захватов сжатого воздуха, надувают рукав. Затем перемещением рамы вниз пленочный рукав надевается на весь пакет, включая и высоту поддона. Далее пленка отрезается от рулона с верху соответствующим механизмом и одновременно герметичным поперечным швом сваривается верх чехла. После этого захваты отпускают нижний край чехла, и рама, перемещаясь вверх, осуществляет нагрев и усадку пленки с помощью включающихся газовых или электролучевых нагревателей, расположенных по внутреннему периметру рамы. В верхнем конечном положении рама останавливается, и нагреватели выключаются. Затем скрепленный транспортный пакет удаляется, на его место устанавливается следующий, и цикл повторяется с производительностью от 14 до 120 пакетов в час.

Рис.2. График для определения толщины термоусадочной пленки в зависимости от средней плотности Рср транспортного пакета.

Рис.3. График для определения толщины термоусадочной пленки в зависимости от массы М транспортного пакета и коэффициента трения fтр груза: 1 – fтр=0,3; 2 — fср=0,4; 3 — fтр=0,5; 4 — fтр=0,6.

Этой же фирмой создана технология и автоматизированные комплексы серии PKS, обеспечивающие бесподдонное формирование транспортных пакетов из грузов в мешках или в другой преимущественно мягкой упаковке и их скрепление термоусадочными оболочками зачехляющего типа. В процессе работы на столе автомата-укладчика этого комплекса формируется транспортный пакет из тарно-штучных грузов, последний верхний слой в котором укладывается не полным так, чтобы на краях по длине пакета оставались выемки на ширину вилочных захватов погрузчика. Затем сформированный пакет транспортером подается в зачехляющий автомат, где на него надевается с термоусадкою чехол,так же как и в рассмотренном выше комплексе модели FSA. Далее пакет перемещается на ротационную станцию, которая переворачивает его на 180⁰ так, что верхний слой с выемками по краям оказывается внизу. Со станции пакет передается во второй зачехляющий автомат, где на не- го сверху надевается с термоусадкой контрчехол, выполненный из такой же рукавной пленки, что и чехол, и одновременно на нижних выемках пакета пленка чехла термопрофилируется под вилочные захваты. После этого готовый транспортный пакет (рис.1ж)

Размеры отрезка пленки (длина, ширина), необходимого для скрепления транспортного пакета термоусадочной оболочкой, рассчитываются в зависимости от схемы скрепления грузов (рис.1) по формулам, приведенным в таблице 2.

Таблица 2. Формулы для расчета размеров развертки термоусадочной пакетирующей оболочки.

Схема скрепления грузов	Размеры развертки, мм - Длина, l	Размеры развертки, мм - Ширина, b
Обандероливание пакета:
Полотном с двух горизонтальных рулонов полурукавной пленкой	2(В+Н+с)	L+2/3H
Рукавной пленкой	2(В+Н)+с	L+2/3H
На поддоне полотном с двух вертикальных рулонов	2,1(В+Н)	L+2/3H
Вертикальных рулонов	2,1(L+В+с)	H+z+300 мм
На поддоне рукавной пленкой	2,1 (L+В)	H+z+300 мм
Полное обертывание пакета:
Полотном с двух горизонтальных рулонов	2(В+Н+с)	L+H+2c
Полурукавной пленкой	2(В+Н)+с	L+H+2c
Рукавной пленкой	2,1(В+Н)	L+H+2c
Скрепление пакета:
Чехлом (контрчехлом) из рукавной пленки	2,1(L+В)	H+L/2+c+150 мм
На поддоне чехлом из рукавной пленки	2,1(L+В)	H+L/2+c+z+150 мм

Примечание: L – длина пакета; В – ширина пакета; Н – высота пакета; с – припуск на сварочное соединение (с =20Е40 мм); z – высота поддона ((z=150Е200 мм)

Прочность пакетирующей оболочки определяется толщиной термоусадочной пленки и прочностными характеристиками полимера. При скреплении пакетируемых грузов только термоусадочной оболочкой из полиэтиленовой пленки ее толщина должна соответствовать указанной в таблице 3.

Таблица 3. Данные по определению толщины полиэтиленовой термоусадочной пакетирующей оболочки.

Масса скрепляемого пакета, кг	Толщина пленки, мм
До 3	0,03
Св.3 до 5	0,04
Св.5 до 10	0,06
Св.10 до 20	0,08
Св.20 до 30	0,12

При скреплении пакетов, сформированных на жестком основании (плоском поддоне, подкладной рамке), требуемая толщина пленки выбирается в зависимости от массы и габаритных размеров скрепляемого пакета, а также коэффициента трения между поверхностями пакетируемых изделий по одному из следующих графиков, полученных опытным путем. Для определения толщины полиэтиленовой термоусадочной пленки по методике, учитывающей массу и габаритные размеры скрепляемого пакета, вначале вычисляют среднюю плотность Рср пакета по формуле: 
P_ср=М/LxBxH, кг/м³ 
где М – масса сформированного пакета, кг;
L,B и Н – соответственно длина, ширина и высота пакета, м.

Затем по графику, приведенному на рис.2, в зависимости от значения Рср определяют толщину пленки, которая является оптимальной при перевозке данного пакета одним видом транспорта. При перевозке этих пакетов с перевалками или смешанным транспортом (например, железнодорожным и водным)определенную по графику толщину пленки следует увеличить на 0,02 —0,03 мм. Требуемую толщину полиэтиленовой термоусадочной пленки можно определить также по графику, приведенному на рис.3, исходя из массы скрепляемого пакета М и коэффициента трения fтр между сопрягающимися поверхностями пакетируемых штучных изделий (плит, листов, кирпичей, черепицы и других) или тарно-штучных грузов (в мешках, пакетах, ящиках, тюках и т.д.).

Оболочками из термоусадочной пленки скрепляются пакеты с продукцией (в упаковке или без нее), обладающей механической прочностью, достаточной для транспортирования и штабелирования пакетов. Исходные размеры оболочки должны быть такими, чтобы в процессе усадки пленки не реализовывалась максимальная степень ее усадки. Оболочка после усадки должна плотно обтягивать транспортный пакет и не иметь механических повреждений. Содержащиеся на ней сварные соединения должны обладать прочностью при растяжении не менее 11 МПа (110 кгс/см²). Не допускается применять термоусадочные оболочки для продукции,поверхность которой покрыта смазкой, а также для продукции в упаковке из полимерных материалов, температура плавления которых ниже или равна температуре плавления термоусадочной пленки. Не допускается также приваривание оболочки к пакетируемой продукции или ее упаковке.