Хотя многие такие применения существовали в нишах рынка уже на протяжении 15 лет, в настоящее время возникают новые, и интерес как среди компаний, занимающихся обработкой экструзией, так и среди потребителей готовой продукции растет после периода относительного затишья.
Объем современного производства сополиэфирной пленки и экструзионных покрытий в США находится в диапазоне от 2 до 2.5 миллионов фунтов в год, в обработке участвует 10 – 15 компаний. В Европе эти цифры несколько выше.
Рынки пленки из сополиэфирного TPE и покрытий разделяются в зависимости от того, является ли продукт воздухопроницаемым или же воздухонепроницаемым. Воздухопроницаемые применения образуют самый крупный и самый старый рынок, наибольший сегмент здесь занимают медицинские применения, такие как одежда для хирургов, хирургические накидки и повязки. Пленки и покрытия из сополиэфирного TPE проницаемы для влаги и газов (O2 и CO2), но они не являются ячеистыми материалами, и поэтому непроницаемы для воды, крови и бактерий. Другими применениями являются подгузники и продукты для взрослых пациентов, страдающих недержанием, в этих применениях используются такие преимущества этих смол, как мягкость и отсутствия шума при использовании (они позволяют пользователю осуществлять движения, не создавая шелеста). Другим важным рынком является строительный: полупроницаемые мембраны кровельных материалов и “оболочки домов” (воздухопроницаемые барьеры). Воздухопроницаемость в сочетании с водоотталкиванием также позволяет использовать эти материалы при производстве спортивных товаров, дождевиков и стелек для обуви.
При воздухонепроницаемых применениях используются такие достоинства сополиэфирных TPE, как теплостойкость и устойчивость к воздействию химических веществ, низкотемпературная гибкость, устойчивость к воздействию атмосферных явлений, прокалыванию, истиранию, а также низкое влагопоглощение. Сюда входит самый молодой и самый быстрорастущий рынок массового потребления упаковки для пищевых товаров, в особенности, применения, для которых требуется замораживание пищевых продуктов прямо в пакетах. Сополиэфирные TPE также рассматриваются для использования при производстве упаковывания в модифицированной газовой среде (MAP). При производстве однослойных пленок эти смолы имеют нужное свойство не прилипания к продукту, которое проявляется при применении к многим пищевым продуктам. При использовании для изготовления многослойной пленки они очень родственны найлонам, полиэфирам, EVA, и сополимерам EMA.
Сополиэфирные TPE можно легко соэкструдировать в экструзионно-раздувные или литые пленки с толщиной до менее 1 мила. При применении надлежащей технологии можно получать литые пленки с толщиной 0.2 мила. Экструзионные покрытия на нетканых подложках обычно производятся с толщиной до 0.5 мила. Компании-обработчики, которые имеют опыт экструзии найлона, начали работать с сополиэфирными TPE без всякого труда. Для воздухопроницаемых применений, включая покрытия, обычно используются более мягкие марки с твердостью менее 55 по Шору D, в то время как в воздухонепроницаемых разновидностях монолитных пленок используются более твердые марки.
Arnitel представляет собой семейство сополиэфирных ТРЕ компании DSM Engineering Plastics. В него входят как сополимеры простого полиэфира-сложные эфиры, так и сополимеры простого эфира сложные эфиры. Эти смолы представляют собой многоблочные сополимеры, в которых твердые сегменты бутилен терефталата и поли (алкилен оксидные) мягкие сегменты многократно чередуются на протяжении главной цепи полимера. Варьирование типа и количества мягких сегментов в любой из данных сополиэфирных рецептур позволяет получать широкий диапазон продуктов и эксплуатационных характеристик (см. прилагаемую таблицу). Примеры наиболее типичных марок, включают следующие:
- Arnitel PL380, воздухопроницаемый с низкой вязкостью, твердость 38 по Шору D, марка для экструзионного покрытия;
- Arnitel PM381, воздухопроницаемая со средней вязкостью марка литой пленки с твердостью 38 по Шору D;
- Arnitel EM400, менее воздухопроницаемая, более прочная марка пленки с твердостью 40 по Шору D. Реологические свойства
В целом, температура плавления кристаллической структуры сополиэфирного TPE возрастает и становится более определенной по мере того, как повышается твердость каждой из рецептур (т. е. уменьшается содержание мягкого сегмента). Вязкость расплава в значительной степени зависит от температуры расплава и твердости используемой марки. Более мягкие марки обладают более высокой вязкостью расплава при нормальных температурах обработки. По мере того, как твердость ТРЕ по Шору повышается, материал приобретает все большую кристалличность. В этой связи температура плавления повышается, но процесс приобретает более внезапный характер. В результате, средняя температура расплава на самом деле ниже для более твердых марок, а не для более мягких. Наиболее часто используемой маркой пленки и покрытия Arnitel является PM381, мягкий материал, который можно экструдировать при относительно широком диапазоне температур от 4500 F до почти 5250 F.
Как показано на прилагаемом графике, вязкость расплава сополиэфирного TPE имеет довольно пологую характеристику для скорости сдвига. Это означает, что здесь нельзя полагаться на конструкции шнека и головки экструдера с мощным усилием сдвига для снижения вязкости расплава против истончения сдвига. Скорее можно повысить или понизить температуру расплава экструзии для повышения текучести или прочности расплава экструдата. Это означает, что для того, чтобы получить стабильный процесс при работе со смолами сополиэфирного ТРЕ, необходим четкий контроль температуры расплава.
Поскольку они являются смолами на основе полиэфира, влага, поглощенная полимером во время обработки может повлиять на конечные свойства. По этой причине Arnitel поставляется во влагонепроницаемых мешках с максимальным значением влажности по массе 0.05% (500 ппм). После того, как материал вскрыт и подвергается воздействию влажного воздуха, гранулы быстро впитывают влагу. Уровни влажности выше 0.10% могут серьезно повредить экструзии, создавая очень переменчивые давление расплава и производительность экструдера, деградацию смолы, и, возможно, пузырьки в расплаве на выходе из головки экструдера.
Сополиэфирные TPE обычно экструдируются с использованием высушивающего питателя. Для материала, который подвергался воздействию влажного воздуха, условия высушивания составляют 3-4 часа при температуре 212-2480 F. Некоторые соображения относительно экструдера
Экструдеры, которые подходят для использования с пластифицированными найлоном, PVC, или полиолефинами, обычно подходят и для экструзии сополиэфирных TPE. Соотношение длины и диаметра, составляющее, по крайней мере, 24:1, а зачастую и 28:1, обеспечивает необходимую однородность расплава для экструзии тонких пленок. Клиренс между спиральной нарезкой червяка и стенкой цилиндра должен быть небольшим для того, чтобы предотвратить обратное течение расплавленной смолы и возможное колебание подачи в экструдере. Цилиндр с соотношением длины и диаметра 24:1 должен быть оборудован, по крайней мере, четырьмя независимо управляемыми зонами нагревания и охлаждения.
Использование экструдеров с нарезной зоной питания не рекомендуется. Бороздки, которые предназначены для облегчения продвижения гранул, могут вызывать избыточную подачу в компрессионную зону шнека, что в результате приведет к плохому управлению температурой, созданию воздушного мешка и высоким требованиям к мощности привода.
В целом при работе с сополиэфирными ТРЕ хорошо используются простые трехзоновые установки с экструдерами общего назначения (с зонами подачи, прохождения (сжатия), и гомогенизации примерно одной и той же длины). Степень сжатия должна быть между 2.5:1 и 3.5:1, как определено глубиной канала зоны подачи, разделенного на глубину канала зоны гомогенизации. Рекомендуется шаг нарезки экструдера, равный одному диаметру экструдера.
В конструкцию шнека не должны входить слишком глубокие каналы, как в зоне подачи, так и в зоне гомогенизации. Наличие глубокого и короткого канала подачи может привести к недостаточной подаче сырья и снижению производительности. Наличие глубокого канала гомогенизации может привести к широкому разбросу температур в расплаве. И, наоборот, наличие неглубокого канала гомогенизации может привести к перегреву расплава из-за слишком высокого усилия сдвига.
Использование шнеков, снабженных зонами декомпрессии и вакуумным отсосом, не рекомендуется при работе с сополиэфирными ТРЕ по нескольким причинам. Во-первых, высушить эти смолы с помощью вакуумного отсоса невозможно. Во-вторых, использование зон отсоса и декомпрессии может привести к застою потока и локализованному накоплению деградированного полимера. В-третьих, может создаться неравномерное давление в экструдере.
Некоторые шнеки, снабженные элементами для смешивания с высоким усилием сдвига и конструкцией с барьерной нарезкой, успешно использовались при работе с сополиэфирными TPE. Тем не менее, некоторые из этих конструкций могут создавать такие высокие температуры расплава, которыми нельзя управлять в рамках типичного диапазона производительности экструдера. Это наиболее ярко проявляется при работе с экструдерами большого диаметра.
И червячная машина, и головка экструдера должны быть по возможности короткими и иметь плавные контуры. Каналы потока не должны содержать резких и значительных изменений поперечного сечения или “мертвых пространств” любого вида. Длинные червячные трубы могут вызывать застой полимера. Это может привести к локализованной деградации полимера и последующему случайному выпуску частиц деградировавшей смолы в поток расплава. Литая пленка
Для того, чтобы избежать прилипания, температура поверхности охлаждающих вальцов не должна превышать 1220 F для мягких видов Arnitel (с твердостью 35 по Шору D и 40 по Шору D), 1760 F для типов от 47D до 63D, или 2120 F для 72D и марок с более высокой твердостью. Текстура охлаждающих вальцов не только позволяет лучше извлекать пленку, но также и снижает степень ее блеска. Чем тоньше пленка, тем более эластичную марку ТРЕ мы получаем, и тем более решающее значение имеет контроль натяжения во время производства литой пленки. Без надлежащего контроля натяжения трудно производить пленку с единообразным наматыванием и без складок. Подрезание или надрезание тонких, эластичных пленок также требует четкого контроля натяжения. Наилучшие результаты были получены за счет изолирования зоны разрезания от любой вибрации или изменений натяжения, которые могут производиться системами намотки и удаления обрезков. Рекомендуется использовать с обеих сторон зоны разрезания вальцы с приводами. Экструзионно-раздувная пленка
Экструзионно-раздувная пленка является относительно новым применением для сополиэфирных TPE. Только несколько компаний, занимающихся обработкой, осуществляли ее промышленное производство, и они не слишком распространялись относительно подробностей своей работы. В целом, тем не менее, они используют стандартное оборудование для производства найлоновой пленки. Степень раздува составляет стандартные значения от 2:1 до 2.5:1. Для более мягких марок TPE может потребоваться антиблок, что также справедливо и для экструзии литой пленки. Экструзионное покрытие
Из сополиэфирных TPE можно создавать экструзионные покрытия на тканых и нетканых тканях. Температура охлаждающих вальцов имеет большое значение для адгезии ткани. Типичными являются температуры между 680 и 1200 F. В отличие от нанесения полиолефинового экструзионного покрытия, при использовании сополиэфирных ТРЕ рекомендуется небольшой зазор между головкой экструдера и зажимным вальцом. Гэри Фэрли, Джим Конки, DSM Engineering Plastics |
