А Линия экструзии многослойных листов является основной производственной системой каждого высокобарьерного пищевого лотка, фармацевтической блистерной упаковки и термоформованного контейнера, представленных сегодня на рынке. В JWELL мы потратили два десятилетия на совершенствование этих систем совместной экструзии для переработчиков, которые не могут допустить проникновения кислорода, расслоения или отклонения толщины при скорости линии выше 25 метров в минуту. В этом руководстве подробно описаны все этапы проектирования: от компоновки экструдера до проектирования головки, материаловедения и закупок.
Что такое линия экструзии многослойных листов?
Линия экструзии многослойных листов объединяет два или более экструдеров для производства одного листа с отдельными слоями, каждый из которых выполняет определенную механическую, оптическую или барьерную функцию. Совместная экструзия позволяет разместить дорогостоящий кислородный барьер в центре, защищая его структурными оболочками с обеих сторон. Линия включает в себя экструдеры, блок подачи, головку для совместной экструзии, каландр, толщиномер, обрезку кромок и намотку. Не используйте индексатор расплава между связующим слоем и барьерной смолой, и ваш лист распадется в термоформовочной машине. JWELL производит эти линии производительностью от 300 кг/ч до 1200 кг/ч. Решающим фактором является контроль соотношения слоев.
Как работает архитектура совместной экструзии
Архитектура линии экструзии многослойных листов основана на сближении потоков расплава и согласовании вязкости. Каждый экструдер плавит и дозирует назначенную ему смолу. Эти расплавы проходят через нагретые трубы к центральному блоку подачи, где они складываются вертикально перед поступлением в фильеру.
Настоящей проблемой является стабильность интерфейса. Когда два расплава полимера встречаются, материал с более низкой вязкостью пытается инкапсулировать материал с более высокой вязкостью. В трехслойной структуре A/B/A, если вязкость вашего полипропиленового слоя кожи слишком низкая по сравнению с сердцевиной, оболочка заворачивается по краям, создавая «собачьи кости» в поперечном сечении.
В системах управления линиями на каждом экструдере используются насосы расплава, чтобы исключить помпаж. В JWELL мы интегрируем шестеренные насосы с обратной связью по давлению с обратной связью, потому что даже 2% скачок в слое EVOH может создать барьерный зазор, который разрушит всю катушку. Этот уровень контроля отделяет коэкструзионно-листовую машину от трех автономных экструдеров, расположенных на одном этаже.
Проектирование барьерного слоя и связующего слоя
Именно барьерный слой является причиной, по которой большинство покупателей инвестируют в линию экструзии многослойных листов. В упаковке пищевых продуктов скорость передачи кислорода (OTR) определяет срок хранения. Однослойный лист ПП может передавать 1500 куб.см/м²/день. Добавьте сердечник из EVOH толщиной 20 микрометров, и вы упадете ниже 1 куб.см/м²/день. В этом разница между семидневной чашкой йогурта и сорокапятидневной.
Но EVOH не прилипает к полиолефинам. Он гигроскопичен, хрупкий и термочувствительный. Поместите его между двумя полипропиленовыми оболочками без связующего слоя, и лист не выдержит в термоформовочной машине.
Именно здесь на помощь приходит связующий слой. Связующие смолы представляют собой клеи с привитым малеиновым ангидридом, предназначенные для соединения полярных барьерных материалов с неполярными структурными слоями. В типичном пятислойном листе A/B/C/B/A имеется полипропиленовая оболочка, связующий клей, барьер из EVOH, связующий клей, полипропиленовая оболочка. Связующий слой обычно составляет всего 5–10% от общей толщины, но без него ваш лист расслаивается в тот момент, когда он попадает в термоформовочную машину с заглушкой. Мы обнаружили, что соотношение стяжек от 8% до 12% на каждую сторону подходит для большинства комбинаций ПП/EVOH.
Конструкция фидблока и коэкструзионной головки
Фидблок – это регулировщик трафика. Внутренние каналы потока должны распределять каждый поток расплава в однородный слой с чистыми параллельными границами раздела. JWELL использует модульные блоки подачи со сменными вставками, что позволяет процессорам переключаться с трехслойной на пятислойную конфигурацию без замены всего блока.
Внутри питающего блока лопасти разделяют потоки расплава до конечной точки слияния. Чем ближе ко входу в головку происходит слияние, тем меньше времени требуется расплавам для взаимной диффузии. Для барьерных применений мы разрабатываем продукцию с коротким временем пребывания после слияния, чтобы минимизировать термическое разложение чувствительных смол, таких как EVOH.
Сама коэкструзионная головка представляет собой коллектор, который распределяет слоистый расплав по всей ширине листа. Регулировка зазора кромки матрицы имеет решающее значение. Даже отклонение в 0,05 мм на матрице диаметром 1200 мм приводит к отклонению толщины, которое последующие измерения не могут полностью исправить. Штампы JWELL оснащены автоматическим срабатыванием термоболта, привязанным к сканерам профиля.
Длина площадки матрицы также влияет на целостность слоя. Слишком коротко, и расплав не расслабится перед выходом. Слишком долго, и сдвиговой нагрев приведет к тому, что EVOH превысит порог разложения. Нашим стандартом является соотношение площади к зазору 50:1 для многослойных конструкций на основе полипропилена, с поправкой на понижение для термочувствительных барьеров.
Конфигурации экструзионных машин для пятислойных листов
Когда процессоры выходят за пределы трех уровней, они ориентируются на жесткие барьерные требования или переработку контента. А Экструзионная машина для изготовления пятислойных листов усложняет процесс, но открывает возможности, недоступные трехслойным системам.
Классическая пятислойная структура для упаковки молочных продуктов и продуктов в модифицированной атмосфере: ПП/связка/EVOH/связка/ПП. Мы также видим шестислойные варианты для лотков для мяса с глубокой вытяжкой, где нейлон повышает устойчивость к проколам. Некоторые процессоры используют A/B/C/B/A со слоем вторичной шлифовки в сердцевине, окруженным первичной кожей и связующими слоями, а также тонким барьером из EVOH. Это позволяет им использовать обрезки кромок, не подвергая переработанный материал воздействию поверхности, контактирующей с продуктом.
С точки зрения оборудования, пятислойной линии требуется пять экструдеров или четыре, если один из них подает оба связующих слоя через разделенный поток. Мы рекомендуем использовать специальные экструдеры для каждой смолы, поскольку очистка происходит быстрее и позволяет избежать перекрестного загрязнения. При этом количестве слоев шестеренчатые насосы на каждом экструдере становятся не подлежащими обсуждению. Зонирование температуры каландра также имеет значение; пятислойные листы с тонкими барьерными сердцевинами остывают неравномерно, создавая внутренние напряжения и скручивание. Мы указываем дифференциальную температуру валков, а иногда и предварительное инфракрасное охлаждение, чтобы сбалансировать тепловой профиль.
Применение экструзионных машин для барьерных листов
Машины для экструзии барьерных листов обслуживают рынки, где срок годности и защита продукта требуют более высоких цен. Доминирует пищевая упаковка: стаканчики для молочных продуктов, подносы для мяса, баночки с маргарином и основы для готовых блюд. Лист должен блокировать кислород, удерживать влагу, противостоять жиру и выдерживать агрессивное термоформование без белых следов напряжений или нарушений барьерных свойств.
Фармацевтическая блистерная упаковка — еще одно применение с высокими ставками. Линия экструзии многослойных листов, производящая структуры из АПЭТ/ЭВС или ПВХ/ПВДХ, должна работать в условиях, прилегающих к чистым помещениям, с проверенными технологическими параметрами. Любое отверстие в EVOH представляет собой риск для партии.
Растет промышленное и косметическое применение. В топливных баках используется многослойный коэкструдированный лист как более легкая альтернатива деталям, полученным выдувным формованием; Барьерный слой предотвращает проникновение углеводородов, а структурные оболочки выдерживают удары. Баночкам с кремом и лоткам с сывороткой необходим кислородный барьер для сохранения активных ингредиентов, а также глянцевая эстетика, которой не может добиться однослойный полипропилен. Коэкструдированный лист с оболочкой из PETG и сердцевиной из EVOH обеспечивает и то, и другое.
Выбор материала: от ПП/ПС до EVOH
Выбор смол для линии экструзии многослойных листов – это компромисс между барьерными характеристиками, технологичностью и стоимостью. Полипропилен остается рабочей лошадкой для структурных слоев. Он дешевый, прочный и хорошо термоформуется. Но у ПП плохой кислородный барьер, поэтому для чувствительных продуктов в его сердцевине требуется EVOH или PVDC.
Полистирол, особенно ударопрочные сорта, по-прежнему используется в контейнерах для молочных продуктов и гастрономов из-за его жесткости и пригодности для печати. HIPS/EVOH/HIPS — это обычная трехслойная структура крышек для йогуртов. ПС легче обрабатывать, чем ПП, при более низких температурах, что помогает, если ваш барьерный слой термически чувствителен.
EVOH является золотым стандартом кислородного барьера. Основными поставщиками являются Kuraray EVAL и Nippon Gohsei Soarnol. Подвох – чувствительность к влаге. Сухой EVOH при относительной влажности 0% имеет OTR ниже 0,5 см3·мм/м²·день·атм. При влажности 85% эта цифра возрастает на порядок. Вот почему EVOH всегда скрыт внутри влагостойкой оболочки. На рынках с высокой влажностью мы иногда используем внешнюю оболочку PA6 с внутренней сердцевиной из EVOH или советуем переработчикам хранить листы в кондиционированных помещениях перед термоформованием.
Связующие смолы должны соответствовать полярности соседних слоев. Для PP/EVOH подойдет ПП с привитым малеиновым ангидридом. Для ПЭТ/EVOH вам нужен другой химический состав, часто на основе этилена с эпоксидной функциональностью. Использование неправильной связующей смолы похоже на использование неправильного сварочного стержня: соединение выглядит нормально, пока не будет приложено напряжение.
Владельцы брендов все чаще выбирают переработанный контент. Постиндустриальную заточку после обрезки кромок легко повторить в бесконтактном слое. Переработанная смола после потребления является более твердой, поскольку загрязнение и деградация IV влияют на адгезию связующего слоя. Мы работаем с процессорами, чтобы квалифицировать потоки ПЦР и размещать их на основных уровнях, где эстетика имеет меньшее значение.
На что следует обратить внимание при покупке машины для экструзии листового проката
Покупка машины для коэкструзии листов запирает ваше предприятие в технологическом окне на пятнадцать и более лет. Цена за метр – неправильный показатель. Обратите внимание на общую стоимость владения, точность контроля слоев и опыт поставщика в использовании вашей комбинации смол.
Начните с точности соотношения слоев. Запросите документированные данные об отклонениях в ходе производственного цикла. Хорошая система удерживает каждый слой с точностью ±3% от заданной толщины. Осмотрите фидблок: модульный ли он? Можно ли получить доступ к лопаткам для очистки, не разбирая весь блок? EVOH и связующие смолы разлагаются в застойных углах. Фидерный блок с мертвыми зонами – это кошмар для обслуживания.
Дизайн штампа имеет не меньшее значение. Спросите о методе регулировки кромки, времени срабатывания термоболта и максимальной рабочей ширине в соответствии с вашими потребностями. Если вы покупаете матрицу диаметром 1000 мм и планируете позже расширить ее до 1400 мм, вам может понадобиться совершенно новый пакет штампов и каландров.
Не упускайте из виду стопку календарей. Диаметр рулона, материал и контроль температуры определяют блеск поверхности и однородность толщины. Для барьерного листа мы рекомендуем хромированные рулоны с индивидуальным контролем зон до ±1°C. Зазор между двумя верхними валками должен регулироваться с точностью до микрометра, поскольку этот зазор определяет окончательную толщину листа.
Наконец, настаивайте на обучении и документации. Линия экструзии многослойных листов хороша настолько, насколько хорош оператор, который ее эксплуатирует. JWELL включает в себя надзор за запуском, разработку рецептов и сертификацию операторов, потому что мы видели, как слишком много линий работают неэффективно просто потому, что команда так и не научилась балансировать производительность экструдера с заданными значениями насоса расплава.
Часто задаваемые вопросы
Какова минимальная толщина слоя EVOH в многослойном листе?
В большинстве пищевых упаковок толщина от 15 до 25 микрометров обеспечивает достаточный кислородный барьер. Чем тоньше, тем опаснее образование мелких отверстий во время термоформования. Толщина более 40 микрометров редко обеспечивает пропорциональное улучшение барьерных свойств, поскольку EVOH чувствителен к влаге.
Могу ли я запустить многослойную линию с переработанным материалом?
Да, но расположение имеет значение. Постпромышленный переизмельчение может происходить в центральном структурном слое, отделенном от контакта с продуктом первичной шкуркой и барьерным слоем. Бывшая в употреблении смола требует тщательной квалификации.
Чем фидблок отличается от многоманифольной матрицы?
Блок подачи объединяет потоки расплава в многослойную стопку перед подачей в головку с одним коллектором. Многоколлекторная матрица имеет отдельные каналы, которые сливаются только на кромках матрицы. Фидблоки проще и дешевле. Для большинства листов из ПП/ЭВС фидерный блок является правильным выбором.
Что вызывает расслоение коэкструдированного листа?
Несовместимая связующая смола, недостаточная толщина связующего слоя или чрезмерное напряжение сдвига во время термоформования. Если связующий слой в порядке, но все еще не работает, проверьте температуру листа перед формованием.
Как долго работает типичная линия экструзии многослойных листов?
При правильном уходе механическая конструкция прослужит двадцать-двадцать пять лет. Цилиндры и шнеки экструдеров изнашиваются быстрее, обычно от десяти до пятнадцати лет. JWELL использует обновляемую архитектуру ПЛК. Планируйте ремонт винтов каждые восемь-десять лет, если используется полипропилен с минеральным наполнением.
