CC BY
84
УДК 421.791.44.48
Н. А. ЗАЖИВИХИНА Е. Л. КОЛБИНА
Омский государственный технический университет
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ СВАРКИ ПОЛИМЕРНЫХ БАРЬЕРНЫХ ПЛЕНОК В ПРОЦЕССЕ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИБКОЙ ПИЩЕВОЙ УПАКОВКИ
Исследования проводились для упаковочных материалов на основе кашированной и с о же тру знойной многослойной полимерной пленки.
На основе предварительного эксперимента определены факторы, влияющие на прочность сварного шва. С помощью планирования эксперимента составлена математическая модель и определены оптимальные режимы сварки при различной комбинации факторов.
Ключевые слова: упаковочные материалы, сварка полимерных пленок, многослойные барьерные упаковочные пленки, режимы сварки, параметры оптимизации, контактная тепловая сварка.
Полимерные пленки являются вторым после бумаги упаковочным материалом в России и мире. Одной из основных функций упаковки является защитная, т.е. способность сохранять качество упакованного продукта в течение заданного времени в определенных условиях. Наибольшая актуальность этой функции проявляется при упаковке пищевых продуктов. Увеличивать срок хранения пищевых продуктов позволяют полимерные пленки с высокими барьерными свойствами, предохраняющие продукт от воздействия кислорода, влаги, температуры и других факторов. Полимерная пленка из одного вида полимера не позволят в полной мере осуществить защитную функцию. Повы шение барьерных свойств упаковки достигается за счет создания многослойной полимерной пленочной упаковки. Осуществить это можно двумя путями: склеить разные по свойствам полимерные пленки (этот процесс называется кешированием), либо получать многослойные пленки соэкструзионным способом. Омская область является лидером в Сибирском регионе по изготовлению пленок и полимерной пленочной упаковки [1].
Формирование полимерной пленочной упаковки осуществляется с помощью сварки. Сварные соединения должны обеспечива ть прочность, герметичность, сохранение барьерных свойств пленочной упаковки.
Целью работы явилась оптимизация режимов сварки барьерных пленок разного состава. Исследования проводились на базе ООО «Планета-центр», г. Омск. На предприятии применяется термосварка с Т - образным соединением пленочных материалов. Сварка в многослойных пленочных материалах осуществляется за счет полимера с более низкой температурой плавлении, например полиэтилена (ПЭ) различных модификаций — 103— 105°С или неориентированного полипропилена (НПП) — 130°С. Применение новых материалов, изменение производственных условий требуют постоянной корректировки режимов сварки для обеспечении требуемой прочности и герметичности.
Для исследования были использованы упако-
120 1» Тампфатуро, *С
■цццомш) ыяпр<*\ от* •
■•шцммы)
. шя •
С09СТИ КИМ
млпрмп. ия • 14»«п. см НТОВ-ІМИ ■ сдасц* юм.1
тцмш
Рис. 1. Зависимость прочности тарных швов от температуры сварки для соэкструзнонного и кешированного материалов при давлении 1 кг/см1
Ті ті тисы
Рис. 2. Зависимость прочности сварных швов от времени контакта для соэкструзионного материала при температуре П5°С и котированною материала при температуре 130°С, давление 1 кг/см1
Рис. 3. Зависимость прочности сварных швов от давления сварки соэкструзионного материала при температуре 1154' и котированного материала при температуре 130оС, время контакта I сек
ае
1.2
Рис. 4. Проекция сечений поверхности отклика на плоскость, для шва в продольном направлении из каптированного материала
ночные пленочные полимерные материалы разных способов получения. Кашированный материал на основе биорентированного полипропилена (БОПП) и неориентированного полипропилена (НПП) марки СРРБЬ. Соэкструзионный материал на основе полиэтилена различных модификаций (ПЭ), полиамида (ПА), сополимера этилена и винилового спирта (ЕУОН), сополимеров пропилена, адгезивных составов и модифицирующих добавок. Были проверены свойства этих полимерных пленочных материалов: толщина, прочность, удлинение при разрыве. Все свойства соответствуют ТУ предприятия |2].
Получение сварных соединений осуществлялось на лабораторной термосварочной машине НБЕ-3 в условиях предприятия. Определение прочности сварных швов проводилось на испытательной машине ИП-5158 в Ом!ТУ. Режимами сварки являются температура. время контак та и давление. Выбор режимов осуществлялся с учетом условий работы промышленных машин для сварки пленки, работающих на предприятии. Предварительный эксперимент, проведенный для обоих видов материала, показал, что наибольшее влияние на прочнос ть сварного шва в условиях действующего производства оказывают температура и время контакта (рис. 1,2).
Давление на действующем оборудовании можно регулировать в очень узких пределах от 1 до 4 кг/см2. Это связано с тем, сто сварке подвергаются достаточно тонкие пленочные полимерные материалы толщиной от 55 до 65 мкм, избыточное давление при контакте тепловой сварки приведет к образованию наплывов в устье шва и утоныпению свариваемых материалов в зоне шва.
Приведенная на рис. 3 зависимость показывает отсутствие влияния давления на прочность шва в ука-
1.2
Ыреия се»
Рис. 5. Проекция сечений поверхности отклика на плоскость, дли шва в поперечном направлении из каптированного материала
занных пределах, что позволило исключить этот фактор при составлении математической модели. В процессе предварительного эксперимента было установлено, что прочность швов в продольном и поперечном направлении для обоих материалов различна, поэтому математическая модель для материалов была составлена для сварных швов в обоих направлениях. В связи с тем, что продольные и поперечные швы выполняются на разном оборудовании, такой подход является оправданным.
Таким образом, на основании проведенных исследований были определены факторы влияющие на прочность сварного шва — температура и время контакта, определены интервалы варьирования, для температуры составили 5°С, для времени контакта — 0,2 сек, и уровни варьирования, для температуры 125°С— 135°С, для времени контакта 0,8— 1,2 сек. Были составлены матрицы планирования и рабочие матрицы для сварных швов в продольном и поперечном направлениях [3].
В соответствии со стратегией последовательного планирования эксперимента на первом этапе исследуемый процесс сварки полимерных пленок был описан линейным уравнением:
У = ВЛ+ ";х/+ «Л** хо= + *•
После проверки однородности дисперсий ошибок экспериментов, расчетов коэффициентов этого уравнения, проверки значимости коэффициента регрессии, адекватности математической модели экспериментальным данным были получены следующие уравнения для швов из кашированного материала в продольном (1) и поперечном (2) направлении
у = 2.104Т + 251,421-1,93414 - 266,123 (1)
у = 2,486 Т + 9,31 - 311,63 (2)
На рис. 4, 5 представлены проекции сечений поверхности отклика, для шва в продольном и поперечном направлениях из кашированного материала, на которых каждая линия соответствует постоянному значению параметра оптимизации. Полученные данные позволяют корректировать режимы сварки на действующем оборудовании без снижения прочности сварного шва.
Для соэкструзионного материала были также определены интервалы варьирования, которые для температуры составили УС, для времени контакта - 0,2 сек, и уровни варьирования, для температуры 110"С— 120°С, для времени контакта 0,8— 1,2 сек. Были составлены матрицы планирования и рабочие матрицы для сварных швов в продольном и поперечном направлениях.
После проверки однородности дисперсий ошибок
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (90) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНО*ШНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (90) 2010
<
т, с
т. с
120
110
19
\ ^
ц
18 1 9 20
1.2
Время, сек
115
110
/ /
23 1
0.9
1.2
Время, сек
Рис. б. Проекция сечсимА поверхности отклика на плоскость, длл шва в продольном направлении из соэкструзионного материала
Рис. 7. Проекция сечений поверхности отклика на плоскость, для шва в поперечном направлении из соэкструзионного материала
экспериментов, расчетов коэффициентов этого уравнения, проверки значимости коэффициента регрессии, адекватности математической модели экспериментальным данным были получены следующие уравнения для швов из соэкструзионного материала в продольном (3) и поперечном (4) направлении
у = 0,354 Т 4- 8,2 1 - 27,62 (3)
у = 0,558 Т + 11,5 I - 34,877 (4)
На рис. 6, 7 представлены проекции сечений поверхности отклика, для шва в продольном и поперечном направлениях из соэкструзионного материала, на которых каждая линия соответствует постоянному значению параметра оптимизации.
Таким образом. с помощью полученных уравнений и проекций сечения поверхности отклика на плоскость можно определить оптимальные режимы сварки для соэкструзионных материалов. При рекомендованных режимах сварки при разрушении сварного шва для соэкструзионных материалов достигает разрушающего напряжения самого материала
Выводы:
— определены факторы, влияющие на прочность сварных швов многослойных пленочных материалов для упаковки;
— составлены математические модели, позволяющие оптимизирова н» режимы сварки, для соэкс-трузионого и кэшированного материалов в обоих направлениях;
— для соэкструзионного материала при оптимальных режимах сварки разрушающее напряжение сварного шва достигает разрушающего напряжения самого материала.
Библиографический список
1. Беляеп, С. Барьерные свойства полимерных материалов и сроки хранения иродуктов: (электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.unlpack.ru
2. ТУ 2245-004-51634717-2008. Плепки полимерные многослойные барьерные (Текст). — Введ. 2008—15—01. — Омск: ООО «Планета-Центр», 2008. — 17с.
3. Адлер. Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий / Ю.П. Адлер, Е.В Маркова, Ю.В. Грановский. — М.: Наука, 1971 - 160 с.
ЗАЖИВИХИНА Наталья Алексеевна, инженер кафедры «Оборудование и технология полиг рафического производства».
Адрес для переписки: e-mail: [email protected]. КОЛБИНА Елена Леонидовна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и технология полиграфического производства».
Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.
Статья поступила в редакцию 02.03.2010 г.
© НА. Заживихина, Е.Л. Колбина
Книжная полка
УДК 621.86
Горфин, О. С. Конвейерный транспорт (Текст]: учеб. пособие для вузов по направлению 150400 «Технологические машины», специальности 150403 «Технологические машины и оборудование для разработки торфяных месторождений» / О. С. Горфин, К. В. Фомин; Твер. гос. техн. ун-т. - 2-е изд., перераб. и доп. - Тверь: Изд-воТТТУ, 2008. -115 с.: рис., табл. - 15В1\ 978-5-7995-0421-2.
Экслибрис: (Штамп сиреневого цв. I Сибирский региональный конкурс на лучшую вузовскую кннгу «Университетская книга»)
Рассмотрены основные конструктивные особенности машин конвейерного транспорта, условия их эксплуатации, принципы конструирования и методы расчета.
