CC BY
69
УДК 621.791.46 .48
A IT Зензипа, A.N. Zevzma Е Л Колбина, E.L. Kolbina
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk. Ryssia
ОЦЕНКА ПРОЧНОСТИ СВАРОЧНЫХ ШВОВ ПОЛИМЕРНЫХ ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ С: ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВТОРИЧНОГО С ЫРЬЯ
ASSESSMENT OF DURABILITY WELDED SEAMS OF POLYMERIC FILM MATERIALS WITH USE OF SECOND ARY RAW MATERIALS
Представленная статья посвящена актуальной проблеме использования вторичного сырья при изготовлении полиэтиленовых упаковочных пленочных материалов. Введение вторичных материалов до 20 % снижает прочность полиэтиленовых пленок на 17 % по сравнению с пленкой без добавления вторичного сырья. Прочность сварных швов снижается, но разрушение происходит по материалу, относительная прочность сварных швов составляет 100 %. поэтому введение вторичного сырья до 20 % позволяет использовать материал полиэтилен для изготовления пакетов.
This work is connect with actual problem using of secondary raw materials for production of polyethylene packing film materials. Introduction of secondary materials to 20% reduces durability of polyethylene films to 17 %. Durability of welded seams decreases, but destruction happens on a material, the relative durability of welded seams makes 100% therefore introduction of secondary raw materials to 20% allows to use a material polyethylene for production of packages.
Ключевые слова: упаковка, полимерные пленки, сварка полимерных пленок
Keywords: packing, polymeric films, welding of polymeric films
Прочность сварных швов играет важную роль в герметизации упаковки пишевых продуктов. Современные пленочные материалы часто подвергаются модификации с целью улучшения барьерных или печагно технических свойств. Следует также иметь в виду, что в последние годы в связи переработкой вторичных отходов, они все чаще вводятся в сырье для производства полимерных пленочных материалов.
Целью данной работы явилась опенка и сравнение прочности сварных соединений упаковочных полиэтиленовых полимерных пленок с добавлением вторичного сырья и без его добавления. Вторичным сырьем являлись отходы предприятия по изготовлению полиэтиленовых пленок.
Для исследования были выбраны трехслойные полиэтиленовые пленки для упаковки молочных продуктов с введением в их состав вторичного сырья. Относительная прочность сварных швов определяется по формуле:
К =^^100%
где оса.ш - разрушающее напряжение сварного шва; см - напряжение при разрушешш пленочного материала.
Считается удовлетворительным, если прочность сварных швов составляет 70 - 80 %. Идеальным вариантом является относительная прочность сварного шва 100 %, то есть равна напряжению при разрыве полимерного пленочного материала, поэтому была проведена оценка напряжения при разрыве всех исследованных материалов.
Исследования проводились на базе кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства» ОмГТУ. Прочностные и деформационные свойства полимерных пленок исследовались на испытательной машине ИП-5158 с соответствующим программным обеспечением. На испытательной машине были получены диаграммы «напряжение - перемещение» пленок с добавлением 20 % вторичного сырья, без добавления вторичного сырья рис. 1 -2.
Б
-
л го ап и во ш 1ло по л 50 т зп 110
Перемещение, мм
ш х т
ш *
СП ^
Г
13 6 м 12 19
2
211 40 10 30 50 80 100 12(1 НО 100 ТО 90 110 1 30 150
Перемещение, мм
Рнс. 1. Диаграмма испытания «напряжение - перемещение» молочной пленки с добавлением 20% вторичного сырья
Рнс. 1. Диаграмма испытания «напряжение - перемещение» молочной пленки бeJ добавления вторичного сырья
Как видно из полученных данных прочность при разрыве трехслойной полиэтиленовой пленки, содержащей 20 % вторичного сырья, снижается по сравнению с контрольным образцом на 17 %.
Были исследованы прочностные сварные соединения полимерных пленок. Для оценки прочности сварных швов были изготовлены сварные соединения при разных режимах сварки на лабораторной термосварочной машине Н8Т-Ш производитель ООО ЬАВТШХК. ШЗТШДМЕЭТЗ Китай.
г
то В
£
о.
I
и -
22 20 1816 14 12 10 8 6 4 2 О
110
- 1
/ к ^
* 4 *
|
1 г-
и
1
и
з
г
120
130
140 I."С
Рнс. 3. Зависимость прочности сварного шва пленки с добавлением 20 % вторичного сырья (1), без добавления вторичного сырья (2) от температуры сварки при давлении 118 кПа. времени контакта - 0.3 сек
Для определения факторов, влияющих на прочность сварного шва и интервалы варьирования. был проведен предварительный эксперимент по сварке полиэтиленовой пленки с добавлением 20 % вторичного сырья, без добавления вторичного сырья (рис. 3). Сварка производилась с двухсторонним нагревом. Режимами, изменяющимися в процессе сварки, были: температура, и время контакта. Давление поддерживалось на уровне 118 кПа, что соответствует режимам работы промышленных установок, дальнейшее увеличение давления ведет к вытеканию полимера из под сварочных губок и утоныпению сварного шва. В каждой серии менялся только один фактор, а два других оставались постоянными. Как видно из полученных данных, сварка полиэтиленовых пленок происходит в интервале температур от 120-140 °С. при этом разрушение во всех случаях идет не по шву, а по пленке в околошовной зоне. Прочность сварки для пленок с использованием вторичного сырья несколько ниже, но обеспечивает необходимую прочность сварки пакетов. Диапазон температур составил 120-140 "С, с шагом 10 °С. Давление нагревательных плит составило 118 кПа. Время контакта было выбрано 0,8-1-1,2 сек Параметром оптимизации является напряжение при разрушении сварного шва
Выбор интервалов варьирования состоит в том, чтобы для каждого фактора выбрать два уровня, на который он будет варьироваться в эксперименте. Верхний уровень составляет - 1, нижний - 1. а основной - 0.
Число опытов вычисляется по формуле: N = 2 \ где N - число опытов; 2 — число уровней, к - число факторов.
N = 2" = 4
Ниже приведено математическое моделирование режимов сварки для полиэтиленовой пленки с добавлением 20 % вторичного сырья.
Таблица 1
Интервалы н уровни варьирования факторов
в___
№ Наименование Уровни варьирования Интервал
ПУП факторов Xi X: варьирования
1 Т-температура, °С 120 140 10
2 Время контакта, сек 0,8 1,2 0,2
В соответствии со стратегией последовательного планирования эксперимента, на первом этапе описываем исследуемый процесс линейным уравнением:
у =ЪоХо+Ь1Х1- Ых2~ Ьпх^з^ха = +1
хп = (140 °С -130 °С) /10 = +1; XI: = (120 °С- 130°С)/10 = -1; = (1,2 - 1) / 0,2 = +1; х„ = (0,8-1)/032 = -1, Ъ =((+1*1 + (-1*2 + (+1)УЗ - (-1*4) /4 Ь - ((+1)у1 - (+1*2 + + (-1*4) /4
Ъп = ((+1*1 + (-1*3 + (-1*з + (+1*0 /4
Ьс - среднее арифметическое значение параметра оптимизации;
Таблица 2
Матрица планирования н рабочая матрица для сварного шва пленки с добавлением 20% вторичного сырья
№ опыта Матрица планирования Рабочая матрица Значения
X [ х2 Т, "С время, сек У1 Уз Л С1 ° оп: YL
1 +1 +1 140 0,& 14,3 13,9 14,5 14.2 0.095 14,1
2 -1 +1 120 0,& 13,6 13,4 13,1 13,4 0,07 13,5
3 +1 -1 140 1,2 15 6 15,3 15,5 15,5 0.025 15,6
4 -1 -1 120 1,2 14,& 15,2 15 15 0.04 14,9
Была проведена проверка однородности дисперсии ошибок, так как найденные из специальных таблиц значения критерия Кохрена Gr = 0,763 > Gp=0,413. то с 95 процентной доверительной вероятностью можно считать дисперсии ошибок опытов однородными и приступить к регрессионному анализу и проверить значимости коэффициентов регрессии.
Из всех полученных коэффициентов только Ъп является незначимым и его можно исключить из уравнения регрессии, которое примет вид:
у = 14,5 - 0,325 xi - 0,725 х2
Для проверки адекватности математической модели экспериментальным данным определим расчетное значение параметра оптимизации в каждой экспериментальной точке.
yi - 14,5 + 0,325 - 0,725 - 14,1 у? = 14,5 - 0,325 - 0,725 = 13,5 у3 = 145 + 0,325 + 0,725 = 15,6 у4 - 14,5 - 0,325 + 0,725 - 14,9
iW =((141 - 14,2)2 + <13,5- 13,4)=+ (15,6 -15,5)2 + (14,9 - 15)1)/(4- 3)= 0,04 Fp= 0,04/0Л - 0,4
Так как найденное из специальных таблиц значения критерия Фишера Ft = 5,32 > Fp = 0.4 , то с 95-процентной доверительной вероятностью можно считать полученное уравнение регрессии математической моделью исследуемого объекта.
у = 14,5 + 0,325xi-0,725xi
Связь именованных величин факторов с закодированными выражалась соотношениями xi = (Т- 130)/10; х2 = (т - 1)/0,2.
Выполнив преобразование уравнения, получим:
у = 3,25Т—3.625т - 404,375
На рис. 4. представлена проекпия сечений поверхности отклика для шва из пленки, с добавлением 20 % вторичного сырья при сварке с двухстороннем нагревом, на котором каждая линия соответствует оптимальным значениям параметра оптимизации.
Также была построена математическая модель и для шва пленки без добавления вторичного сырья при сварке с двухсторонним нагревом.
Уровни варьирования режимов сварки с двухсторонним нагревом для пленки без добавления вторичного сырья совпадают с предыдущим экспериментом. В соответствии со
