A Linia do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych to podstawowy system produkcyjny stojący za każdą wysokobarierową tacą na żywność, blistrami farmaceutycznymi i pojemnikami termoformowanymi dostępnymi obecnie na rynku. W firmie JWELL spędziliśmy dwie dekady na udoskonalaniu systemów współwytłaczania dla przetwórców, którzy nie mogą sobie pozwolić na wnikanie tlenu, rozwarstwianie lub odchylenia grubości przy prędkościach linii powyżej 25 metrów na minutę. W tym przewodniku omówiono inżynierię, począwszy od rozmieszczenia wytłaczarek, poprzez projektowanie matryc, naukę o materiałach i zaopatrzenie.
Co to jest linia do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych?
Linia do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych łączy dwie lub więcej wytłaczarek w celu wytworzenia pojedynczego arkusza z dyskretnymi warstwami, z których każda pełni określoną funkcję mechaniczną, optyczną lub barierową. Współwytłaczanie pozwala na umieszczenie drogiej bariery tlenowej pośrodku, jednocześnie chroniąc ją strukturalnymi powłokami po obu stronach. Linia obejmuje wytłaczarki, blok zasilający, matrycę do współwytłaczania, stos kalandrów, miernik grubości, przycinanie krawędzi i uzwojenie. Niedopasuj wskaźnik stopu pomiędzy warstwą wiążącą a żywicą barierową, a arkusz oddzieli się w termoformierce. JWELL buduje te linie o wydajności od 300 kg/h do 1200 kg/h. Decydującym czynnikiem jest kontrola proporcji warstw.
Jak działa architektura współwytłaczania
Architektura linii do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych opiera się na zbieżności strumienia stopu i dopasowaniu lepkości. Każda wytłaczarka topi i dozuje przypisaną żywicę. Stopy te przemieszczają się przez podgrzewane rury do centralnego bloku zasilającego, gdzie układają się pionowo przed wejściem do matrycy.
Prawdziwym wyzwaniem jest stabilność międzyfazowa. Kiedy spotykają się dwa stopione polimery, materiał o niższej lepkości chce otoczyć materiał o wyższej lepkości. W trójwarstwowej strukturze A/B/A, jeśli warstwa naskórkowa PP ma zbyt niską lepkość w porównaniu z rdzeniem, naskórek owija się wokół krawędzi, tworząc w przekroju poprzecznym „odkostnianie psa”.
Systemy sterowania linią wykorzystują pompy stopu w każdej wytłaczarce, aby wyeliminować uderzenia. W JWELL integrujemy pompy zębate ze sprzężeniem zwrotnym ciśnienia w zamkniętej pętli, ponieważ nawet 2% wzrost warstwy EVOH może stworzyć szczelinę barierową, która niszczy cały bęben. Ten poziom kontroli oddziela maszynę do współwytłaczania arkuszy od trzech niezależnych wytłaczarek znajdujących się na tej samej podłodze.
Inżynieria warstw barierowych i wiążących
Warstwa barierowa jest powodem, dla którego większość kupujących inwestuje w linię do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych. W opakowaniach do żywności współczynnik przepuszczalności tlenu (OTR) wpływa na trwałość produktu. Jednowarstwowy arkusz PP może przepuszczać 1500 cm3/m²/dzień. Dodaj 20-mikrometrowy rdzeń EVOH, a spadniesz poniżej 1 cm3/m²/dzień. Taka jest różnica między kubkiem jogurtowym na siedem dni a kubkiem na czterdzieści pięć dni.
Ale EVOH nie przylega do poliolefin. Jest higroskopijny, kruchy i wrażliwy termicznie. Umieścić go pomiędzy dwiema warstwami PP bez warstwy wiążącej, a arkusz ulegnie zniszczeniu w termoformierce.
Tutaj właśnie pojawia się warstwa wiążąca. Żywice wiążące to kleje szczepione bezwodnikiem maleinowym, zaprojektowane w celu łączenia polarnych materiałów barierowych z niepolarnymi warstwami strukturalnymi. W typowym pięciowarstwowym arkuszu A/B/C/B/A masz naskórek PP, klej wiążący, barierę EVOH, klej wiążący i naskórek PP. Warstwa wiążąca stanowi zwykle tylko 5–10% całkowitej grubości, ale bez niej arkusz rozwarstwia się w momencie uderzenia w termoformierkę wspomaganą wtyczką. Uważamy, że współczynnik wiązania na stronę wynoszący od 8% do 12% działa dla większości kombinacji PP/EVOH.
Projekt bloku zasilającego i matrycy do współwytłaczania
Feedblock jest kontrolerem ruchu. Wewnętrzne kanały przepływowe muszą rozdzielać każdy strumień stopu na jednolitą warstwę z czystymi, równoległymi granicami międzyfazowymi. JWELL wykorzystuje modułowe bloki zasilające z wymiennymi wkładkami, umożliwiając procesorom przełączanie z konfiguracji trójwarstwowej na pięciowarstwową bez wymiany całego bloku.
Wewnątrz bloku zasilającego łopatki oddzielają strumienie stopu aż do końcowego punktu łączenia. Im bliżej wejścia do matrycy następuje połączenie, tym mniej czasu potrzeba na wzajemne rozproszenie stopionych substancji. W przypadku zastosowań barierowych projektujemy z myślą o krótkim czasie przebywania po połączeniu, aby zminimalizować degradację termiczną wrażliwych żywic, takich jak EVOH.
Sama matryca do współwytłaczania jest kolektorem wieszakowym, który rozprowadza warstwowy stop na całej szerokości arkusza. Regulacja szczeliny wargowej matrycy jest krytyczna. Nawet różnica 0,05 mm na matrycy o średnicy 1200 mm przekłada się na odchylenie grubości, którego dalsze pomiary nie są w stanie w pełni skorygować. Matryce JWELL są wyposażone w automatyczne termiczne uruchamianie rygli powiązane ze skanerami profili.
Długość styku matrycy wpływa również na integralność warstwy. Za krótki, a stop nie odpręża się przed wyjściem. Zbyt długo i nagrzewanie ścinające powoduje, że EVOH przekracza próg degradacji. Naszym standardem jest stosunek gruntu do szczeliny wynoszący 50:1 w przypadku wielowarstwowych struktur na bazie PP, skorygowany w dół w przypadku barier wrażliwych na temperaturę.
Konfiguracje maszyn do wytłaczania arkuszy pięciowarstwowych
Kiedy procesory wychodzą poza trzy warstwy, kierują się wymaganiami dotyczącymi agresywnych barier lub zawartością pochodzącą z recyklingu. A pięciowarstwowa maszyna do wytłaczania arkuszy zwiększa złożoność, ale otwiera możliwości, których systemy trójwarstwowe nie mogą dotknąć.
Klasyczna pięciowarstwowa struktura opakowań do produktów mlecznych i opakowań w atmosferze modyfikowanej to PP/tie/EVOH/tie/PP. Widzimy również sześciowarstwowe warianty tacek na mięso głęboko tłoczone, w których nylon zwiększa odporność na przebicie. Niektóre procesory pracują w trybie A/B/C/B/A z warstwą przemiału w rdzeniu, otoczoną dziewiczym naskórkiem i warstwami wiążącymi oraz cienką barierą EVOH. Dzięki temu mogą zużywać wykończenia krawędzi bez narażania materiału pochodzącego z recyklingu na powierzchnię stykającą się z produktem.
Z punktu widzenia maszyn linia pięciowarstwowa wymaga pięciu wytłaczarek lub czterech, jeśli jedna obsługuje obie warstwy wiążące poprzez podzielony strumień. Do każdej żywicy zalecamy dedykowane wytłaczarki, ponieważ czyszczenie jest szybsze i pozwala uniknąć zanieczyszczeń krzyżowych. Pompy zębate w każdej wytłaczarce nie podlegają negocjacjom przy tej liczbie warstw. Strefy temperatury walca kalandrowego również mają znaczenie; pięciowarstwowe arkusze z cienkimi rdzeniami barierowymi schładzają się nierównomiernie, powodując wewnętrzne naprężenia i zwijanie. Określamy różnicę temperatur walców i czasami wstępne chłodzenie w podczerwieni, aby zrównoważyć profil cieplny.
Zastosowania maszyn do wytłaczania arkuszy barierowych
Maszyny do wytłaczania arkuszy barierowych obsługują rynki, gdzie trwałość i ochrona produktu wymagają wyższych cen. Dominują opakowania do żywności: kubki na nabiał, tacki na mięso, opakowania po margarynie i bazy do dań gotowych. Arkusz musi blokować tlen, zatrzymywać wilgoć, być odporny na tłuszcz i wytrzymywać agresywne termoformowanie bez białych śladów naprężeń i naruszenia bariery.
Blistry farmaceutyczne to kolejne ryzykowne zastosowanie. Linia do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych produkująca struktury APET/EVOH lub PVC/PVDC musi działać w warunkach sąsiadujących z pomieszczeniem czystym, przy zatwierdzonych parametrach procesu. Jakakolwiek dziura w EVOH stwarza ryzyko związane z partią.
Rośnie liczba zastosowań przemysłowych i kosmetycznych. W zbiornikach paliwa zastosowano wielowarstwowy arkusz współwytłaczany jako lżejszą alternatywę dla części formowanych z rozdmuchem; warstwa barierowa zapobiega przenikaniu węglowodorów, podczas gdy powłoki strukturalne wytrzymują uderzenia. Słoiczki z kremem i tacki na serum wymagają bariery tlenowej, aby zachować składniki aktywne, a także błyszczącej estetyki, której nie jest w stanie osiągnąć jednowarstwowy PP. Współwytłaczany arkusz ze skórą PETG i rdzeniem EVOH zapewnia jedno i drugie.
Wybór materiału: od PP/PS do EVOH
Wybór żywic do linii do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych polega na negocjacji pomiędzy wydajnością bariery, przetwarzalnością i kosztem. Polipropylen pozostaje głównym materiałem konstrukcyjnym. Jest tani, wytrzymały i dobrze termoformuje się. Jednak PP ma słabą barierę tlenową, dlatego w przypadku wrażliwych produktów potrzebuje EVOH lub PVDC w rdzeniu.
Polistyren, szczególnie wysokoudarowy, nadal pojawia się w pojemnikach na produkty mleczne i delikatesowe ze względu na sztywność i możliwość nadruku. HIPS/EVOH/HIPS to powszechna trójwarstwowa struktura pokrywek do jogurtów. PS jest łatwiejszy w obróbce niż PP w niższych temperaturach, co jest pomocne, jeśli warstwa barierowa jest delikatna termicznie.
EVOH to złoty standard bariery tlenowej. Głównymi dostawcami są Kuraray EVAL i Nippon Gohsei Soarnol. Haczyk polega na wrażliwości na wilgoć. Suchy EVOH przy 0% wilgotności względnej ma OTR poniżej 0,5 cm3·mm/m²·dzień·atm. Przy wilgotności 85% wartość ta wzrasta o rząd wielkości. Dlatego EVOH jest zawsze ukryty pod odporną na wilgoć skórą. Na rynkach o wysokiej wilgotności czasami określamy powłoki zewnętrzne PA6 z rdzeniem wewnętrznym EVOH lub zalecamy przetwórcom przechowywanie arkuszy w klimatyzowanym środowisku przed termoformowaniem.
Żywice wiążące muszą odpowiadać polaryzacji sąsiednich warstw. W przypadku PP/EVOH sprawdza się PP szczepiony bezwodnikiem maleinowym. W przypadku PET/EVOH potrzebny jest inny skład chemiczny, często na bazie etylenu z funkcjonalnością epoksydową. Użycie niewłaściwej żywicy wiążącej jest jak użycie niewłaściwego sznura spawalniczego: połączenie wygląda dobrze, dopóki nie zostaną przyłożone naprężenia.
Właściciele marek coraz częściej wybierają treści pochodzące z recyklingu. Przemiał poprzemysłowy z listew krawędziowych można łatwo ponownie wprowadzić w warstwie bezkontaktowej. Żywica pochodząca z recyklingu poużytkowego jest twardsza, ponieważ zanieczyszczenia i degradacja IV wpływają na przyczepność warstwy wiążącej. Współpracujemy z przetwórcami, aby kwalifikować strumienie PCR i umieszczać je w warstwach podstawowych, gdzie estetyka ma mniejsze znaczenie.
Co należy ocenić przy zakupie maszyny do współwytłaczania arkuszy
Zakup maszyny do współwytłaczania arkuszy blokuje okno procesowe na piętnaście lat lub dłużej. Cena za metr to błędny wskaźnik. Weź pod uwagę całkowity koszt posiadania, precyzję kontroli warstw i doświadczenie dostawcy w zakresie kombinacji żywic.
Zacznij od dokładności proporcji warstw. Poproś o udokumentowane dane dotyczące odchyleń w całej serii produkcyjnej. Dobry system utrzymuje każdą warstwę z dokładnością do ±3% docelowej grubości. Sprawdź blok zasilający: czy jest modułowy? Czy można uzyskać dostęp do łopatek przepływowych w celu ich oczyszczenia bez demontażu całego bloku? EVOH i żywice wiążące ulegają degradacji w stojących narożnikach. Blok zasilający z martwymi punktami to koszmar w utrzymaniu.
Projekt matrycy ma równie duże znaczenie. Zapytaj o sposób regulacji wargi, czas reakcji termicznej śruby i maksymalną szerokość roboczą w stosunku do Twoich potrzeb. Jeśli kupisz matrycę o średnicy 1000 mm i planujesz później rozszerzyć ją do 1400 mm, możesz potrzebować zupełnie nowej matrycy i stosu kalandrów.
Nie przeocz stosu kalendarza. Średnica rolki, materiał i kontrola temperatury decydują o połysku powierzchni i jednorodności grubości. Do blachy barierowej polecamy walce chromowane z indywidualną regulacją strefową do ±1°C. Szczelinę pomiędzy dwoma górnymi rolkami należy regulować z dokładnością do mikrometra, ponieważ ta szczelina zacisku określa ostateczną grubość arkusza.
Na koniec nalegaj na szkolenie i dokumentację. Linia do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych jest tak dobra, jak operator ją obsługujący. JWELL obejmuje nadzór nad rozruchem, opracowywanie receptur i certyfikację operatorów, ponieważ zaobserwowaliśmy, że zbyt wiele linii osiąga słabą wydajność po prostu dlatego, że załoga nigdy nie nauczyła się równoważyć wydajności wytłaczarki z wartościami zadanymi pompy topiącej.
Często zadawane pytania
Jaka jest minimalna grubość warstwy EVOH w arkuszu wielowarstwowym?
W większości opakowań do żywności grubość od 15 do 25 mikrometrów zapewnia odpowiednią barierę tlenową. Rozcieńczalnik stwarza ryzyko powstania dziur podczas termoformowania. Grubość powyżej 40 mikrometrów rzadko poprawia barierę proporcjonalnie, ponieważ EVOH jest wrażliwy na wilgoć.
Czy mogę uruchomić linię wielowarstwową z materiału pochodzącego z recyklingu?
Tak, ale miejsce ma znaczenie. Przemiał poprzemysłowy może znajdować się w centralnej warstwie strukturalnej, oddzielonej od kontaktu z produktem dziewiczymi skórkami i warstwą barierową. Żywica pokonsumencka wymaga starannej kwalifikacji.
Czym różni się blok zasilający od matrycy wielorozgałęźnej?
Blok zasilający łączy strumienie stopu w warstwowy stos przed wejściem do matrycy z pojedynczym kolektorem. Matryca wielorozdzielcza ma oddzielne kanały, które łączą się tylko na krawędziach matrycy. Feedblocki są prostsze i tańsze. W przypadku większości arkuszy PP/EVOH właściwym wyborem jest blok zasilający.
Co powoduje rozwarstwienie w arkuszu współwytłaczanym?
Niekompatybilna żywica wiążąca, nieodpowiednia grubość warstwy wiążącej lub nadmierne naprężenia ścinające podczas termoformowania. Jeśli warstwa wiążąca jest prawidłowa i nadal nie działa, sprawdź temperaturę arkusza przed formowaniem.
Jak długo działa typowa linia do wytłaczania arkuszy wielowarstwowych?
Przy odpowiedniej konserwacji konstrukcja mechaniczna wytrzymuje dwadzieścia do dwudziestu pięciu lat. Beczki i śruby wytłaczarki zużywają się szybciej, zwykle od dziesięciu do piętnastu lat. JWELL wykorzystuje architekturę PLC z możliwością aktualizacji. Zaplanuj renowację śrub co osiem do dziesięciu lat, jeśli używasz PP wypełnionego minerałami.
