Технологии

Поставщики оборудования создают в настоящее время лабораторные линии для того, чтобы облегчить выход на промышленное производство. Путь к овладению процессом производства девятислойных экструзионно-раздувных пленок может оказаться тернистым. “Прошло почти два года, прежде чем мы поняли, что эта технология получения девятислойных пленок почти такая же сложная, как и управление работой линии по производству литой пленки”, - говорит Стив Арнаутофф, менеджер проекта по разработке продукции компании Plastopil Hazorea, израильской упаковочной компании, которая предприняла скачок с производства пятислойной пленки на производство девятислойной в 2001 г. “Мы долго не могли понять, что же все-таки происходит с реологией”, - замечает он. - “Она ведет себя так, что параметры находятся посредине между литой и экструзионно-раздувной пленкой”. Но после того, как Plastopil разобралась с этим, компания приобрела в 2003 г. еще одну линию для производства девятислойной пленки.

С трудностями, которые возникают при производстве девятислойных экструзионно-раздувных пленок, справились всего менее дюжины компаний по всему миру. Но эти пионеры теперь могут производить пленки с лучшими свойствами и меньшими затратами, что было бы невозможно получить при изготовлении пленок с меньшим количеством слоев. (Фото: Brampton Engineering)

Крупная компания из США, производящая упаковку, которая изготавливает девятислойные пленки (и литые, и экструзионно-раздувные) считает, что опыт работы с литой пленкой ей очень пригодился. “Наша основная продукция это литая пленка. Наш опыт в этой области позволил нам считать себя ‘чужаками’ в области структур экструзионно-раздувной пленки”, - говорит главный технолог. “Мы рассматривали смолы, которые ранее не имели никаких шансов при производстве экструзионно-раздувных пленок, даже с семью слоями. Но при девяти слоях в Вашем арсенале значительно больше средств, большее количество слоев на самом деле делает разработку продукта только легче”.
Обрабатывающие компании, которые производят девятислойную пленку, не все ориентированы на один и тот же рынок. Если и есть конкуренция, то они в большей степени конкурируют с производителями ламинированных или металлизированных пленок, чем между собой. Несколько крупных компаний, производящих упаковку, которые изготавливают девятислойные пленки, сами потребляют свои девятислойные пленки для нужд собственного ламинирования. Более мелкие обработчики предлагают девятислойные пленки непосредственно на рынок, где производители ламинируют их или формуют из них пакеты или внутренние покрытия. До сих пор существовало достаточное количество высокобарьерных применений. И все же  удачливые игроки, которые смогли производить девятислойные пленки, не очень-то об этом распространяются, поскольку они не хотят стимулировать усиление конкуренции.

Отважные пионеры
В конце девяностых горстка пионеров, занимавшихся экструзией экструзионно-раздувных пленок, и имевших опыт, в основном, в области производства семислойной пленки, осуществила промышленное производство первых девятислойных барьерных пленок. Компания Holmes Packaging из Ротовуа, Новая Зеландия (в настоящее время в составе Cryovac Sealed Air), была первой. В 1997 г. она установила устройство для производства девятислойной экструзионно-раздувной пленки от компании Brampton Engineering. К 1998 г. Holmes уже производила рыночные испытания в мировом масштабе мешков из девятислойной барьерной пленки, предназначенных для сухого молока, а еще через год приобрела у Brampton  еще одну линию для производства девятислойной пленки.

Первое устройство для производства девятислойной пленки, проданное Battenfeld Gloucester Engineering, было установлено в июле 1998 г., у Transpack Industries (в настоящее время в составе Amcor Flexibles) в Новой Зеландии. Инструмент имел диаметр 10 дюймов.

Полномасштабные лабораторные линии для производства девятислойной пленки, которые устанавливаются компаниями Battenfeld Gloucester (схема приводится здесь) и Brampton, станут новыми крупными ресурсами для обрабатывающих компаний, которые хотят выйти на рынок девятислойной пленки.

Опыт, приобретенный при освоении девятислойной пленки, проложил дорогу к созданию еще более сложных пленок. С 2000 г. Brampton поставила десятислойные головки: одну в Азию и две в Европу. Последняя была установлена в прошлом году на Wipak а Настоле, Финляндия (материнская компания Winpak в США). По словам одного из пользователей, десятислойная пленка дает еще более широкие возможности для использования различных структур и технических полимеров, таких как РЕТ.
Рост рынка девятислойной и десятислойной экструзионно-раздувной пленки осуществлялся совсем не так стремительно, как тогда, когда обрабатывающие компании переходили с производства трехслойных пленок на производство пятислойных и далее семислойных. За несколько лет тогда появились сотни линий для пятислойного и семислойного производства. Но производство девятислойной пленки это не просто переход к большему по сравнению с семью количеству слоев, поскольку имеется много других способов получить те же барьерные свойства, включая производство многослойной литой пленки, ламинирование, металлизацию и нанесение покрытия.
Создатели установок также не бросились осваивать рынок девятислойных структур. Ни одна из европейских компаний-производителей не отважилась на установку головки на более чем семь слоев, хотя в настоящее время Windmoeller & Hoelscher в Германии и Macchi в Италии работают над ними.
Оказалось, что головку для создания девяти-и десятислойного продукта так трудно производить и эксплуатировать, что даже восемь лет спустя по всему миру этих головок насчитывается всего 25, и принадлежат они, всего лишь дюжине компаний. Первые головки в США появились в 2003 г. у Winpak в Сенойе, Джорджия, и Optimum Plastics Inc. в Делавэре, Огайо. Optimum приобрела 20-дюймовую, пакетную головку Brampton для девятислойного производства и девять экструдеров W&H. Winpak установила 24-дюймовую линию Brampton для девятислойного производства 110-дюймового плоского плёночного рукава.
Brampton основной производитель линий для производства девятислойной и более многослойной пленки. Она поставила три десятислойных пакетных головки и 13 девятислойных, включая и самую крупную в мире на 31.5 дюйма в диаметре. Она была поставлена в этом году, и будет производить до 1500 фунтов в час. Компания Gloucester поставила пять девятислойных головок. Самой крупной головкой Gloucester для девятислойного производства является 20-дюймовая, установленная у американской обрабатывающей компании.
В некоторых компаниях имеются также четыре девятислойные линии, которые действуют по принципу раздува рукава вниз. Davis-Standard Corp.  поставила одну из них российскому заказчику в 2004 г. для производства оболочек для колбасных изделий из EVOH/найлона/LDPE. На такой установке, снабженной шестью 1.5-дюймовыми экструдерами, производится плоский пленочный рукав шириной 3 дюйма. Компания Macro Engineering поставила в 2003 г. девятислойную пакетную головку корейской компании для использования на линии с девятью экструдерами, изготавливающей продукт методом двойного раздува пленочного рукава из барьерной смолы PVDC. Компания Brampton создала две девятислойные линии Aquafrost, с системой водяного охлаждения пленочного рукава из PP/EVOH. Одна из них приобретена Nordpack из Финляндии, а другая неназванным покупателем из этого полушария.
И компания Brampton, и компания Gloucester создают лабораторные линии для промышленного производства девятислойных пленок, которые могут облегчить разработку продукта для тех компаний, которые выходят на рынок девятислойной пленки. Бад Смит, президент и глава Brampton, считает, что девятислойные пленки будут “крупным развивающимся бизнесом на протяжении последующих десяти лет”. Brampton устанавливает линию с 14-дюймовой плоскопараллельной головкой и гибким управлением толщиной пленки. Компания Gloucester создает линию с девятью экструдерами и 16-дюймовой спирально-стержневой головкой, которая снабжена вновь разработанными круглыми (вместо Д-образных) отверстиями для подачи на спирали. Сообщается, что круглые отверстия подачи, создаваемые с помощью новой технологии машинной обработки, препятствуют застреванию материала.

Более мягкие барьерные пленки
Пленки с высокими барьерными свойствами используются для увеличения срока годности таких охлажденных продуктов, как мясо и птица, сыр, а также рыба, и кроме того, не охлажденных продуктов, таких как сухое молоко, орехи, корм для животных и вина. Помимо высоких барьерных свойств наиболее желанным свойством является эластичность, необходимая для производства всего: от крупных мешков для транспортировки и пленок, которыми прокладывают ящики изнутри, до гибких горячеформованных пакетов с герметизируемыми крышками. Девятислойная пленка с тонкими найлоновыми слоями относительно эластична, в то время как пяти- и семислойные барьерные найлоновые пленки жесткие, поскольку в них толще найлоновый слой.

На линиях компании Plastopil, предназначенных для производства девятислойной экструзионно-раздувной пленки, собственно такую пленку производят  только половину времени эксплуатации линий. Компания все еще считает выгодным с точки зрения качества, эксплуатационных характеристик продукта и пропускной способности использовать эти линии для создания пяти- и семислойной пленки.

Девятислойные пленки могут иметь самую различную структуру для того, чтобы обеспечить соответствие широкому диапазону требований, которые предъявляются к барьерным свойствам, прочности и эстетическим достоинствам пленки. Так, например, одним из новых рынков является рынок выдерживающих автоклавирование пакетов для основных объемов готовых пищевых продуктов, а также отдельных порций, которые можно после кипячения сразу помещать в морозильную камеру, или наоборот. Девяти- или десятислойная экстурзионно-раздувная пленка имеет перед литой пленкой преимущество биориентации для придания более высокой прочности на холоде.
Основным преимуществом девятислойной экструзионно-раздувной пленки является более экономное использование дорогостоящего найлона. При производстве девятислойной пленки происходит расщепление одного толстого барьерного найлонового слоя на несколько более тонких. При этом получается больший объем барьерных свойств из меньшего количества найлона, увеличивается также способность подвергаться горячему формованию. За счет наличия более тонких слоев найлона, глубоко расположенные углы пакета сохраняют вдвое больше барьерного материала, чем при формовании жесткой пятислойной пленки, здесь также не происходит растрескивания под действием напряжения. Более тонкие слои найлона также не дают пленке скручиваться, что является распространенной проблемой для пяти- и семислойных пленок. Герметизирующие слои в девятислойных пленках также могут быть тоньше.
Мало кто из обработчиков, которые вложили средства в создание девятислойных мощностей, использует их в полном объеме. Так, например, компания Plastopil, производит только с полдюжины различных настоящих девятислойных структур, при создании которых каждый экструдер работает на своей смоле. Большую часть времени Plastopil использует только пять, шесть, семь или восемь различных материалов при работе на своей девятислойной линии. Частично это делается для того, чтобы загрузить производственные мощности за счет создания менее сложных структур пленки, но и здесь есть некоторые уникальные преимущества.
Дополнительные экструдеры позволяют создавать сочетания слоев, которые были бы физически невозможны при создании пяти- и семислойных пленок, таких как , например, 50% PE пленка, которую получают с помощью загрузки одной и тоже смеси PE в расположенные рядом четыре экструдера. Обработчики говорят, что производительность девятислойной линии также выше, чем у пяти- или семислойной линии, поскольку размеры экструдеров более сбалансированы.
При производстве на линии для девятислойной пленки получается более однородная толщина, чем при производстве на семислойной линии. По имеющимся данным, девятислойная линия без автоматического регулирования головки может создавать семислойную структуру с отклонениями толщины ±5%, в то время как наилучший контроль, которого можно добиться на семислойной линии при производстве такой же пленочной структуры будет вариативность толщины ±6%. Как отмечают в компании Optimum, они получают колебания толщины на линии для девятислойной пленки с автоматизированным контролем толщины ±1.8%, и ±4% без такого контроля.

Различия в головках
Большинство головок для производства девятислойных пленок стекового или пакетного типа, но имеются и спирально-стержневые головки. У обоих типов имеются от природы присущие им достоинства и недостатки. Так, например, у одной обычной девятислойной барьерной структуры имеется в ядерной части комбинация слоев «найлон/EVOH/найлон», которые прилипают друг к другу без связывающих слоев. Пакетные головки от Brampton имеют теплоизоляцию слоев, которая предотвращает контакт между найлоном при температуре 4500 - 4800 F и чувствительным EVOH при температуре 3500 – 4000 F. А у спиральной головки от Gloucester, тем не менее, нет термоизоляции, так что EVOH находится в контакте с металлической головкой при примерно 5000 F. Расчет здесь на то, что у спиральной головки небольшая продолжительность пребывания, предотвращающая перегрев таких чувствительных смол, как EVOH.

У компании Optimum Plastics имеется девятислойная головка от Brampton, экструдеры от W&H, и намоточная машина от Reinhold. Линия предназначена для самых разнообразных применений, т. е. для производства практически любых слоев из практически любой смолы.

Недостатком пакетной головки является то, что горизонтальный виток спиралей и высота стопки слоев делают путь расплава длиннее, чем спиральная головка. Здесь различие заключается в длине потока, на протяжении которого все слои (например, найлон и EVOH) соединяются вместе до того, как они достигнут выхода из головки. Это расстояние равно 8 дюймам для спирально-стержневой головки и до 18 дюймов для пакетной головки.
Стековая головка теоретически обладает гибкостью, достаточной для того, чтобы изменить слой за счет перехода на пакет, оптимизированный для использования другой смолы. Тем не менее, на практике это делается очень редко. Со спиральной головкой от Gloucester труднее изменить уровневую структуру, хотя это возможно. Потребовалась переналадка 20-дюймовой головки от компании Gloucester через год после ее поставки, когда заказчик решил производить другие структуры, отличные от тех, для производства которых первоначально предназначалась головка.
У некоторых девятислойных головок каналы оптимизированы только для производства двух или трех различных структур. “Вы осуществляете оптимизацию для барьера как для сэндвича со связывающими слоями из полиэтилена в середине. Если Вы используете найлон с каналом, который предназначен для LLDPE, процесс будет идти с более низким давлением и с меньшим контролем толщины”, - объясняет Уильям Хелмут, старший менеджер по продукции компании Gloucester. “Или, наоборот, если Вы используете LL в спиральной головке, предназначенной для найлона, то, в конце концов, получаете более высокое давление и более высокие температуры”.
Другие головки предназначены для того, чтобы изготавливать любые слои из практически любой смолы. Optimum Plastics специально создала девятислойную линию с самыми широкими возможностями по сравнению со всеми имеющимися на рынке установками. Линия Optimum осуществляет соэкструзию с “экстремальным барьером” найлона, EVOH, PP, и даже PET. Она способна создавать барьеры или связывать смолы практически в любом слое. На линии Optimum можно создавать пять групп структур и около 50 девятислойных продуктов. “В число переменных входят, место, где находится найлон, толщина найлона, а также те 10 категорий найлона, которые можно использовать”, - говорит Уильям Райт, старший технический директор.
Optimum также использует очень высокую складную раму для охлаждения найлона, вибрационный отбор плёнки с экструдера на приёмные вальцы, а также гибкую намоточную машину, так, чтобы она могла наматывать и мягкие, растягивающиеся пленки, и жесткие пленки. Optimum использует специальную намоточную машину от Reinhold с различными параметрами для центра, поверхности и зазора, которая может наматывать рулоны до 59 дюймов в диаметре.
Хотя IBC является обычным инструментом для повышения производительности при изготовлении экструзионно-раздувной пленки, его не всегда можно использовать при производстве девятислойной пленки. Если найлоновый слой находится на поверхности рукава или поблизости от внутренней поверхности рукава, IBC может заморозить найлон слишком быстро, так что он не успеет прилипнуть к следующему слою и начнет расслаиваться. Одним из решений этой проблемы является использование технического воздуха при IBC вместо охлажденного воздуха.
Использование IBC при производстве девятислойной пленки затруднено также и тем, что участвуют три или четыре различные линии замораживания. Дэниэл Джозеф, президент D.R. Joseph, поставщика IBC, говорит, что операторы, устанавливающие новую девятислойную структуру, должны размещать датчики IBC непосредственно над самой нижней линией замерзания и продвигаться вверх до тех пор, пока рукав не перестанет “дышать”.
В целом, как добавляет Джозеф, операторы по изготовлению девятислойной пленки должны быть очень высоко квалифицированными. “Я посещаю множество предприятий, где изготавливают девятислойную пленку, среди таких операторов высокая текучесть. Если у Вас текучесть кадров, то девятислойная линия у Вас никогда не будет работать по-настоящему”.

Затратный метод проб и ошибок
Основной проблемой при разработке новых девятислойных продуктов является получение информации о том, какие смолы обладают свойствами текучести, которые позволят создать из них успешное сочетание. Размещение тонких слоев найлона или EVOH с низкой вязкостью рядом с более вязкими полиолефиновыми связывающими слоями может создать поверхностную нестабильность, из-за которой образуются непривлекательные волны или зигзаги в пленке.

Организация производства имеет решающее значение для работы девятислойных линии. Optimum Plastics организует 32 ингредиента в алфавитном порядке по экструдерам и в цифровой форме по ящикам или бункерам.

Мирек Планета, президент Macro Engineering, говорит, что моделирование потока может сэкономить немало времени при проектировании продукта из девятислойной пленки. Macro поставила свою девятислойную линию для барьерной пленки из PVDC с программным обеспечением для моделирования Pro/Process от компании Bharat Consulting из Миссиссауги, Онтарио. Имея такое ПО для персонального компьютера, которое специально подгоняется для каждой линии по изготовлению пленки компании Macro, обработчик может вводить смолу и толщину, с которыми он намеревается работать. Pro/Process прогнозирует возникновение проблем, и предлагает решения относительно того, как изменить соотношение слоев или индекс расплава материалов.
Арнаутофф из компании Plastopil говорит, что моделирование не всегда возможно, поскольку на самом деле все материалы, которые используются для производства девятислойных пленок, являются смесями. Трудно получить реологические данные для смесей смол. Поэтому небольшое количество смеси необходимо экструдировать, расщепить и испытать в реометре.
Подбор сочетания эластичности расплава может быть не менее важен, чем подбор вязкости расплава. “Способность к удлинению двух материалов, расположенных рядом друг с другом, не должна существенно отличаться”, - говорит д-р Карен Сиао, отвечающая за реологию в Brampton. “Смолы, которые лучше всего растягиваются, могут вызывать поверхностную нестабильность при сочетании с материалом, который не растягивается”, - говорит она.
Даже когда все идет хорошо, при разработке новых девятислойных барьерных пленок образуется большое количество дорогостоящих отходов. Вот почему производитель девятислойной пленки не утвердит проведение испытаний новой пленочной структуры до тех пор, пока команда, занимающаяся разработкой продукта, не даст обоснование затрат в виде оценки размера потенциального рынка.

«Экстремальная» загрузка/разгрузка материала
Системы загрузки и разгрузки материалов для производства девятислойной пленки должны быть очень тщательно организованы, поскольку, возможно, придется иметь дело с 30 - 40 различными ингредиентами. Два экструдера обычно несколько больше остальных, они могут смешивать пять-шесть ингредиентов для сплавов полиолефинов в основных слоях. У остальных семи экструдеров от двух до четырех питателей, каждый для смешивания барьерных, связывающих и герметизирующих смол.

В девятислойной спирально-стержневой головке от Gloucester нет теплоизоляции между более горячими и более холодными смолами (такими, как найлон и EVOH), расчет строится на более коротком пути расплава, который позволяет не допустить деградации смол, чувствительных к термическому воздействию.