Моделирование технологического процесса каширования комбинированного упаковочного материала Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 655.3.026.25

А.С. Борисова, *Ли Мин Хи

Омский государственный технический университет, Россия, г. Омск *Университет Джунгбу, Южная Корея

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА КАШИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО УПАКОВОЧНОГО МАТЕРИАЛА

Актуальность темы объясняется возрастающим спросом на гибкие комбинированные упаковочные материалы и постоянно ужесточающимися требованиями рынка к их качественным показателям, это заставляет производителей искать все более эффективные способы удовлетворения запросов потребителей.

Популярность использования комбинированных материалов в упаковочной отрасли объясняется универсальностью их свойств, достигнутой благодаря комбинации алюминиевой фольги с различными подложками, в частности с жировлагостойкой бумагой, применение которой придает комбинированному материалу способность сохранять заданную форму, повышенную стойкость к ударным нагрузкам, стойкость к двойным перегибам, стойкость к коррозии, удобство утилизации и повышает прочностные характеристики [1-4].

Целью работы является модернизация технологического процесса каширования комбинированного материала на основе алюминиевой фольги типа Ф/Б для улучшения его прочностных и печатных свойств за счет разработки клеевой композиции для каширования, обладающей невысокой себестоимостью, и установления оптимальных режимных параметров процесса.

Решение большинства проблем, связанных с модернизацией технологического процесса, требует проведения сложных и дорогостоящих исследований. В данном случае объек-

222

том исследования является процесс каширования алюминиевой фольги бумагой, представляющий собой многофакторную систему, трудно поддающуюся аналитическому описанию. Поэтому целесообразно использовать методологию теории планирования эксперимента [5], что позволит ограничить количество проводимых опытов и получить компактное уравнение, описывающее процесс каширования, исследовать его оптимальность и произвести обработку полученных результатов.

Параметром оптимизации выберем адгезионную прочность получаемого комбинированного материала, оцениваемую в соответствии с ГОСТ Р 52145-2003.

Режимные параметры процесса каширования оказывают значительное влияние на качество получаемого комбинированного материала.

На рис. 1 представлены результаты исследования влияния толщины слоя клеевой композиции для каширования на адгезионную прочность получаемого соединения.

Из графика, представленного на рис. 1, видно, что все значения сопротивления расслаиванию КМ при использовании в качестве адгезива для каширования клеевой композиции на основе водной сополимерной стирол-акриловой дисперсии находятся в допустимых пределах согласно Госту. Однако, с увеличением толщины адгезионного слоя свыше 1 мкм происходит значительное снижение сопротивления расслаиванию между фольгой и бумагой.

На рис. 2 представлены результаты исследования влияния величины зазора между каширующими валами (1 ед. = 0,01 мм) на адгезионную прочность получаемого соединения.

Анализ графика, представленного на рис. 2, позволяет установить оптимальный зазор между каширующими валами 0,15 мм. При данном зазоре достигается максимальное значение сопротивления расслаиванию между слоями комбинированного материала 76 Н/м, что практически в два раза превышает минимальное значение сопротивления расслаиванию, регламентируемое ГОСТом.

5 I

<2 s i го m s го с о

0 го £1

0) S

1 0) с m s н о £1 С

о о

70 60 50 40 30

20 10 0

0

y = -6,746x 2 - 7,5159x + 81,373 R 2 = 0,9375

0,5

2

1 1,5

Толщина адгезива, мкм

Рис. 1. Зависимость адгезионной прочности КМ от толщины слоя клея

2,5

80

•х

S ™

н п

О 5 а га с С О о

О 8

а

75 70 65 60 55 50 45 40

y = -0,0181x2 + 0,7667x + 65,571

R 2

; 0,6879 0,35

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 Зазор между каширующими валами, мм

Рис. 2. Зависимость адгезионной прочности КМ от величины зазора между валами 100

2

S X

ш 2

Ц s

Ш X

S я

I- ш

О S

а я

с ц

о о

О 8

а

90

80 70

60

у = -0,0261х + 78,465 И 2 = 0,6288

190 210 230 Скорость каширования, м/мин

Рис. 3. Зависимость адгезионной прочности КМ от скорости каширования

На рис. 3. представлены результаты исследования влияния скорости каширования на адгезионную прочность получаемого соединения.

Из графика, представленного на рис. 3, видно, что при рабочих скоростях процесса каширования от 90 до 220 м/мин адгезионная прочность получаемого комбинированного материала является достаточно высокой и колеблется около значения 75 Н/м. Незначительное повывшение сопротивления расслаиванию комбинированного материала наблюдается при скорости каширования 150 м/мин.

Таким образом, на основании анализа литературных источников и по результатам од-нофакторных экспериментов выявлены оптимальные типы компонентов клеевой композиции для каширования, их процентные соотношения и параметры процесса каширования:

224

- базовый компонент - водная дисперсия сополимера эфира акриловой кислоты и стирола;

- коалесцентная добавка - изомерическая смесь 2,2,4-триметил-1,3-пентадиол-моноизобутирана;

- антисептик - соединение три-н-бутилолово-нафтената с азотным органическим соединением, массовая доля 0,2-0,3 %;

- пеногаситель на основе минерального масла, массовая доля 0,2-0,4 %;

- загуститель - натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы, массовая доля 0,1-0,5 %;

- дистиллированная вода - остальное;

- толщина слоя адгезива не более 1 мкм;

- давление каширования 15 ед;

- скорость каширования 150 м/мин.

Перед осуществлением математического планирования эксперимента зафиксируем вышеперечисленные факторы, поскольку их оптимальные значения установлены и с этого момента они оказывают влияние на заданный уровень свойств в меньшей степени.

В качестве переменных факторов рассмотрим факторы, оказывающие значительное влияние на заданный уровень получаемого в процессе каширования комбинированного материала и оптимальные значения которых не установлены в ходе однофакторных экспериментов и анализе литературных источников:

50 40

90 110 130 150 170

- процентное содержание (х^ водной дисперсии сополимера эфира акриловой кислоты и стирола в клеевой композиции, (60 %< х1 < 90 %);

- процентное содержание коалесцента (х2), (0,5 % < х2 < 3,5 %);

- температура отверждения (х3), (40 °С < х3 < 90 °С).

Значения уровней и интервалов варьирования факторов приведены в таблице 1. Интервалы варьирования факторов, влияющих на параметр оптимизации

Таблица 1

Наименование и обозначение факторов Уровни варьирования Интервалы варьирования

-1 0 +1

Количество стирол-акриловой дисперсии (Х1),% 60 75 90 15

Количество коалесцента (х2), % 0,5 2 3,5 1,5

Температура отверждения (х3), °С 40 65 90 25

В эксперименте использовались образцы размером 15*150 мм2, принятые для определения адгезионной прочности комбинированного материала. Для уменьшения влияния случайных ошибок работа выполнялась в одно время суток и одним исследователем.

Проверка адгезионной прочности материала производилась на испытательной машине ИП 5158. Число повторных опытов - 5.

225

Матрица планирования и результаты эксперимента Таблица 2

1 2

№ опыта Матрица планирования Рабочая матрица Среднее значение параметра оптимизации У Расчетное значение параметра оптимизации у Квадрат ошибки (у - у )2

х х Количество стирол-акриловой дисперсии (х1), % Температура отверждения (х2), °С

1 + + 85 87,05 3,26 3,2 0,0036

2 - + 75 87,07 3,82 3,7 0,0144

3 + - 85 55 3,78 3,7 0,0064

4 - - 75 55 3,34 3,2 0,0196

5 -1,414 0 72,93 60 3,6 3,72 0,0144

6 1,414 0 87,07 60 3,64 3,72 0,0064

7 0 -1,414 80 52,93 3,04 3,18 0,0196

8 0 1,414 80 67,07 3,12 3,18 0,0036

9 0 0 80 60 4,15 4,2 0,0025

10 0 0 80 60 4,18 4,2 0,0004

11 0 0 80 60 4,26 4,2 0,0036

12 0 0 80 60 4,27 4,2 0,0049

13 0 0 80 60 4,14 4,2 0,0036

Доверительный интервал коэффициента регрессии имеет вид:

Ь - 0,0214 < в < Ь + 0,0214.

После проверки значимости коэффициентов регрессии и отсеивании незначимых коэффициентов математическая модель принимает вид:

2 2

у = 4,2 - 0,25х:х2 - 0,24х: - 0,51х2 .

Проверка адекватности полученной модели производится по критерию Фишера. Модель является адекватной с доверительной вероятностью 95 %.

Для построения сечений поверхности отклика и удобства восприятия разработанной модели приведем ее уравнение к каноническому виду

У = 4,2 - 0,19Хх - 0,56Х2 .

2

2

С геометрической точки зрения уравнение зависимости адгезионной прочности У комбинированного материала от процентного содержания стирол-акриловой дисперсии в клеевой композиции (х1) и температуры отверждения (х2) является уравнением эллиптического параболоида.

226

Двумерные сечения поверхности отклика, представленные на рисунке 4, наиболее полно отражают влияние факторов х1 и х2 на адгезионную прочность комбинированного материала. В точках каждого из эллипсов значение адгезионной прочности материала постоянно, чем более удален эллипс от нулевой точки, тем меньшее значение прочности ему соответствует. Установлено, что с увеличением абсолютной величины отклонения процентного содержания стирол-акриловой дисперсии в клеевой композиции от 80 % и с увеличением абсолютной величины отклонения температуры отверждения от 60 °С снижается адгезионная прочность комбинированного материала в окрестности точки оптимума. С уменьшением процентного содержания стирол-акриловой дисперсии клейкость композиции существенно снижается, а увеличение ее процентного содержания не вызывает значительного улучшения свойств клеевой композиции и приводит к увеличению себестоимости. Снижение температуры отверждения клеевой композиции приводит к снижению прочности комбинированного материала и к увеличению времени сушки, что не желательно при его производстве в промышленных масштабах. Увеличение температуры отверждения не оказывает существенного влияния на время сушки и свойства комбинированного материала, поэтому является технологически не целесообразным.

Получаемый в результате каширования комбинированный упаковочный материал совместим с пищевыми продуктами. Является оптимальным для упаковки сливочного масла, мороженого и прочих жиро- и влагосодержащих продуктов.

Процессы, образующие адгезионную связь клеевой композиции с алюминиевой фольгой протекают по микрореологическому механизму с затеканием адгезива в микроборозды и в поры окисной пленки алюминия, что способствует достижению высокой адгезионной прочности системы.

Рис. 4. Линии уровня адгезионной прочности комбинированного материала

Образование адгезионной связи клеевой композиции со слоем бумаги протекает по

молекулярно-адсорбционному механизму.

Процесс пленкообразования представляет собой процесс ликвидации межфазной границы адгезив - субстрат при одновременном удалении дисперсионной среды. В процессе высыхания частицы клеевой композиции сближаются и по мере испарения воды, контактируя друг с другом, образуют гель.

Удаление дисперсионной среды адгезива осуществляется за счет капиллярных явлений в слое бумаги, чему способствует термическая сушка. Вторая фаза - синерезис проме-

T-j--—-1-1-f

•4-2 0 2 4

227

жуточного геля. Адсорбционно-гидратные оболочки на поверхности глобул разрушаются, капиллярное давление способствует вытеснению водной фазы из геля, поверхностное натяжение прижимает глобулы адгезива друг к другу, сильно деформируя их. Частицы теряют шарообразную форму и принимают вид плотно уложенных многогранников. В результате межфазная граница ликвидируется, глобулы адгезива коалесцируют в точках соприкосновения, образуя сплошную пленку.

Таким образом, обоснованы и установлены оптимальные параметры процесса каши-рования комбинированного материала на основе алюминиевой фольги с использованием в качестве адгезива разработанной клеевой композиции. Получен комбинированный материал с заданным уровнем свойств и повышенной адгезионной прочностью между слоями [6].

Использование методов математического моделирования дало возможность получить большой объем информации по закономерностям изменения адгезионной прочности комбинированных упаковочных материалов в зависимости от условий их получения и установить оптимальные параметры технологического процесса каширования, которые обеспечивают надежность работы соединения при воздействии различных факторов.

Библиографический список

1. Braun, D. Polymer synthesis: theory and practice. Fundamentals, methods, experiments / D. Braun. - Springer, 2004.

2. Fried, Joel R. Polymer science and technology / Joel R. Fried. - New Jersey : Upper Saddle River, 1995.

3. Pizzi, А. Handbook of Adhesive Technology, Revised and Expanded / A. Pizzi. - New York : Basel, 2003.

4. Поциус, А. В. Клеи, адгезия, технология склеивания / А. В. Поциус; пер. с англ. ; под ред. Г. В. Комарова. - СПб. : Профессия, 2007.

5. Варепо, Л. Г. Основы планирования эксперимента: учеб. пособие / Л. Г. Варепо. -Омск : Изд-во ОмГТУ, 1995. - 75 с.

6. Пат. 2446951 Российская Федерация, МПК B32B27/00. Слоистый упаковочный материал / А. С. Борисова, Л. Г. Варепо, Г. И. Петенев; заявитель ГОУ ВПО «Омский государственный технический университет». - № 2010132096/05; заявл. 29.07.2010; опубл. 10.02.2012.