Способ получения слоистого материала и устройство для его осуществления - RU2069154C1

Чертежи

Показать все 8 чертежа(ей)

Описание

Настоящее изобретение относится к способу получения слоистых материалов, включающих полипропилен, соединенный с металлической основой, и к устройству для получения слоистого материала, включающего термопластик, соединенный с металлической полосой.

Известен способ получения слоистого материала, состоящего из полипропиленовой пленки, соединенной с металлической полосой, включающий стадии нагрева металлической полосы до температуры выше температуры размягчения полипропилена, подачи подогретой металлической полосы и ленты из полипропиленовой пленки на прижимные валки, нагрев полученного ламината выше температуры плавления полипропилена, охлаждения его путем подачи охлаждающей жидкости на поверхность ламината и сбор охлаждающей жидкости [1]
В данном способе охлаждение рекомендуется проводить сжатым воздухом, для того чтобы быстро понизить температуру материала ниже температуры размягчения полиолефина, после чего следует резкое охлаждение распыляемой водой. Было установлено, однако, что охлаждение воздухом до температуры ниже примерно 180^oC или быстрое охлаждение распылением от более высоких температур приводит к получению частично кристаллического покрытия с довольно крупной кристаллической структурой. При последующей переработке такого слоистого материала в формованные изделия целостность покрытия может нарушаться, например, в районе дна банок, в результате чего металлическая основа его будет подвергаться коррозионному воздействию среды, например, содержимого банок с таким поврежденным дном. Поэтому срок хранения таких банок резко сокращается. Для устранения дефектов покрытия предлагается после формования изделий проводить их термообработку. Однако такая обработка требует проведения дополнительных операций и затрат энергии и поэтому нежелательна с точки зрения экономики [2]
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа получения слоистых материалов, включающих полипропилен, соединенный с металлической основой, который позволял бы получать стойкое покрытие, не нарушаемое в процессе формования изделий из такого материала, благодаря чему этот материал был бы более подходящим для формования таких изделий, как дно банок.

Достигается поставленная задача тем, что в способе получения слоистого материала, включающего полипропилен, соединенный с металлической полосой, включающем стадии нагрева металлической полосы до температуры выше температуры размягчения полипропилена, подачи подогретой металлической полосы и ленты из полипропиленовой пленки на прижимные валки, нагрева полученного ламината выше температуры плавления полипропилена, охлаждения его путем подачи охлаждающей жидкости на поверхность ламината и сбора охлаждающей жидкости, охлаждающую жидкость подают между расположенными друг против друга направляющими, образующими зазор для прохода охлаждающей жидкости и ламината, так что поверхность ламината орошается сплошным непрерывным потоком охлаждающей жидкости в направлении перемещения ламината.

Было установлено, что более равномерное и быстрое охлаждение, которое может быть достигнуто за счет орошения поверхности материала сплошным непрерывным потоком, охлаждающей жидкостью, снижает или полностью устраняет склонность покрытия к частичной кристаллизации, благодаря чему снижается или полностью исключается тенденция к нарушению сплошности покрытия в процессе последующего формования слоистого материла.

Предпочтительно слоистую полипропиленовую пленку охлаждают до температуры ниже температуры ее плавления со скоростью выше 200^oC/c.

Нанесенную на металл полипропиленовую пленку предпочтительно охлаждают до температуры не выше температуры ее размягчения. В качестве охлаждающей жидкости предпочтительно используют воду, имеющую комнатную температуру.

В качестве полипропиленовой пленки предпочтительно используют полученную путем совместной экструзии многослойную пленку, включающую внутренний слой связующей смолы, представляющий собой модифицированный кислотой полипропилен, и внешний слой полипропилена. В качестве связующей смолы предпочтительно используют полипропилен, модифицированный ангидридом малеиновой кислоты.

Ламинирование предпочтительно осуществляют путем нанесения полипропиленовой пленки на металлический лист, нагретый до температуры Т₁, достаточной для размягчения полипропиленовой пленки, но ниже той температуры, при которой в процессе ламинирования может происходить нарушение целостности внешней поверхности полипропиленовой пленки, после чего повторно нагревают полученный слоистый материал до температуры Т₂, более высокой, чем температура плавления полипропилена, и затем производят равномерное и быстрое охлаждение. Предпочтительно, чтобы температура Т₁ находилась в пределах 120 230^o, a температура Т₂ в пределах 210 - 270^o C.

Предпочтительно, если одновременно с полипропиленовой пленкой на другую сторону металлического листа наносится другая полимерная пленка. Как правило, такой второй полимерной пленкой является смола на основе полиолефина или полиэфира, или композитная пленка, включающая полиолефин и полиамид.

Металлическая основа, на которую наносится пленка или пленки, как правило, представляет собой металлическую полосу, обычно из стали или алюминия или его сплавов, чаще всего стали или алюминия, используемых в качестве упаковочного материала.

Как правило, толщина стальной полосы находиться в пределах 0,05 0,4, а алюминиевой 0,02 0,4 мм.

Cталь может быть покрыта оловом, предпочтительно пассированным путем обычной обработки хроматом. Она может быть также электролитически покрыта никелем или цинком, чернена или фосфатирована. Предпочтительно, чтобы после фосфатирования осуществлялась промывка хроматом.

Предпочтительно в качестве стальной полосы для получения слоистых материалов использовать сталь, электролитически покрытую хромом (ECCS), c двойным слоем из металлического хрома и оксида хрома. Толщина слоев металлического хрома и оксида хрома на такой стали может варьироваться в широких пределах. Как правило, толщина слоя металлического хрома находится в пределах 0,1 0,20, а толщина слоя оксида хрома 0, 005 0,05 г/м². ECCS обычно получают в ваннах с добавками серосодержащего или фторсодержащего катализатора.

Предметом настоящего изобретения является также устройство для получения слоистого материала, включающего полипропилен, соединенный с металлической полосой.

Известно устройство для получения слоистого материала, включающего полипропиленовую пленку, соединенную с металлической полосой, содержащее средства для нагрева металлической полосы до температуры, превышающей температуру размягчения полипропилена, средства для подачи предварительно нагретой металлической полосы и ленты из полипропиленовой пленки на прижимные валки, расположенные после прижимных валков, средства повторного нагрева ламината из металла и полипропилена до температуры, превышающей точку плавления полипропилена, средства для охлаждения ламината после повторного нагрева, включающие приспособления для подачи охлаждающего жидкости на поверхность ламината и резервуар для сбора охлаждающей жидкости [1]
В известном устройстве охлаждение полученного ламината осуществляется вначале сжатым воздухом, чтобы быстро понизить температуру материала, а затем его резко охлаждают распыливаемой водой. Вследствие такого охлаждения получают материал, который имеет довольно крупную кристаллическую структуру, что отрицательно сказывается на качестве изделий при последующей переработке материала.

Технической задачей изобретения в части устройства является создание устройства, обеспечивающее равномерное охлаждение полученного ламината.

Достигается поставленная задача тем, что приспособление сбора охлаждающей жидкости выполнено в виде расположенных друг против друга направляющих элементов, образующих зазор для прохода ламината и охлаждающей жидкости, посредством чего орошается поверхность ламината сплошным потоком охлаждающей жидкости в направлении ламината, тем, что направляющие элементы приспособления для подачи охлаждающей жидкости выполнены в виде пары распределительных стержней, установленных напротив друг друга с наклоном к направлению движения ламината для направления охлаждающей жидкости по направлению движения ламината, тем, что направляющие элементы приспособления для подачи охлаждающей жидкости выполнены в виде расположенных в вертикальной плоскости стенок с наклонными участками в нижней части, образующие лоток, имеющий в верхней части впуск для охлаждающей жидкости и вход ламината, а в нижней части щель, ограниченную наклонными участками стенок, для прохода вертикально опускающегося ламината с охлаждающей жидкостью.

Ниже в примерах, а также с помощью чертежей более подробно будут описаны конкретные способы осуществления настоящего изобретения. На чертежах изображены:
на фиг. 1 вертикальный разрез схематично изображенного устройства для ламинирования двух полос материала;
на фиг.2 график распределения температуры полос по длине устройства;
на фиг. 3 схематично изображено горизонтально расположенное устройство для ламинирования двух полос;
на фиг.4 график изменения температуры во времени;
на фиг.5 схематично изображено устройство для ламинирования трех полос.

Изображенное на фиг.1 устройство включает первый ролик 1, через который проходит металлическая полоса 2, второй ролик 3, через который проходит полоса полипропиленовой пленки 4, прижимные ролики 5, 6, приводящие в контактирование металлическую полосу 2 и полипропиленовую пленку 4, и устройство для быстрого охлаждения 7, в котором состоящий из металла и пленки слоистый материал 19 погружается в обильный поток охлаждающей жидкости.

Подогреватель 8, смонтированный между роликом 1 и прижимными роликами 5, 6, предназначен для нагрева металлической полосы 2 до температуры Т₁, превышающей температуру размягчения полипропилена, перед процессом формирования слоистого материала, осуществляемого с помощью прижимных роликов 5, 6. Второй нагреватель 9 смонтирован между прижимными роликами 5, 6 и устройством для быстрого охлаждения 7 и предназначен для вторичного нагрева слоистого материала до температуры T₂, превышающей температуру начального нагрева Т₁ и температуру плавления полипропилена.

Устройство для быстрого охлаждения 7 включает емкость для охлаждения жидкости 11, например воды, насос 12 для подачи жидкости из емкости, теплообмен 13 для охлаждения жидкости, подаваемый насосом, и распределительные планки 14, 15, на которые попадает охлаждающая жидкость из теплообменника 14 и с помощью которых она распределяется вдоль обеих поверхностей слоистого материала 19. Каждая из распределительных планок выполнена таким образом, чтобы обеспечить стабильный поток жидкости и в то же время играть роль плотины для распределения этого потока по всей ширине слоистого материала. Для того, чтобы свести к минимуму разбрызгивание при ударе потока с планки 14, 15, последние расположены под острым углом по отношению к направлению движения слоистого материала 19, и, таким образом, направление потока жидкости совпадает с направлением движения слоистого материала.

Угол наклона распределительных планок 14, 15 к направлению движения слоистого материала в его верхней части может составлять 40 80, предпочтительно 60 80^o. В этом случае охлаждающая жидкость движется вместе со слоистым материалом, а не разбрызгивается при столкновении с ним.

Следует отметить, что охлаждающая жидкость движется вместе со слоистым материалом 19 вниз в емкость 10 с жидкостью 11 таким образом, чтобы обеспечивалось достаточно длительное время охлаждения, прежде чем охлажденный слоистый материал попадет на поворотный ролик 16 для выхода из устройства. Поворотный ролик 16 предпочтительно выполняется с возможностью вращения, для чего он монтируется на подшипниках, устанавливаемых в стенках емкости 10. Охлажденный слоистый материал предпочтительно проходит между роликами 17, 19, которые снимают с него охлаждающую жидкость. По другому варианту для этой цели могут использоваться резиновые пластины.

Ниже с помощью фиг.1 и 2 поясняется способ получения слоистого материала, включающий стадии прохождения полипропиленовой пленки 4 через ролик 3 к прижимным роликам 5, 6, прохождения металлической полосы 2 через ролик 1 и подогреватель 8, в котором она нагревается до температуры Т₁, более высокой, чем температура размягчения полипропилена, и контактирования далее с полипропиленовой пленкой в прижимных роликах 5, 6, процесса формирования слоистого материала из металлической полосы и полипропиленовой пленки между прижимными роликами 5, 6 и прохождения сформированного слоистого материала 19 в нагреватель 9, в котором он снова нагревается до температуры Т₂, превышающей температуру начального нагрева Т₁ и температуру плавления полипропилена для обеспечения адгезии последнего с металлом, прохождения нагретого слоистого материала 19 между распределительными планками 14, 15 для создания потока, который контактировал бы по всей ширине с поверхностями слоистого материала таким образом, чтобы температура последнего быстро уменьшалась со скоростью, как, правило, порядка 200^o в секунду.

Охлаждающая жидкость проходит вместе со слоистым материалом и собирается в нижней части емкости 10, из которой она с помощью насоса 12 прокачивается через теплообменник 13, который контролирует температуру жидкости, прежде чем снова подать ее к распределительным планкам 14, 15.

Охлажденный слоистый материал проходит через ролик 16 и между роликами 17, 18 и выходит из емкости для сушки и охлаждения перед дальнейшим хранением или использованием.

На фиг.3 показано устройство для получения слоистого материала из металлической полосы и полипропиленовой пленки, в котором металлическая полоса движется в практически горизонтальном направлении, хотя это движение может осуществляться и с небольшим наклоном, порядка например 5^o по отношению к горизонту, для предупреждения провисания слоистого материала. Как видно из фиг. 3, устройство включает нагреватель 8А, прижимные ролики 5А, 6А и второй нагреватель 9А. Все эти элементы имеют то же назначение и функционируют так же, как и соответствующие элементы 8, 5, 6, 9 устройства на рис.1, и поэтому не требуют дополнительных пояснений.

Из фиг. 3 видно, что устройство для охлаждения включает емкость 20 для охлаждающей жидкости 21, выходной трубопровод 22, соединяющий емкость с теплообменником 23, и насос 24 для подачи жидкости из теплообменника к распределительным планкам 25, 26, расположенным соответственно выше и ниже слоистого материала и наклонены под углом 30 60, предпочтительно около 30^o по отношению к направлению движения слоистого материала для сведения к минимуму опасности попадания жидкости в нагреватель 9А и для обеспечения контактирования жидкости со слоистым материалом в течение времени, достаточного для ее охлаждения, прежде чем она снова стечет в емкость 20. После необходимого времени контактирования жидкость, при желании, может быть удалена со слоистого материала 19А с помощью потока воздуха из сопла 27, расположенного над слоистым материалом и, при необходимости, второго сопла (на чертеже оно не показано), расположенного под слоистым материалом.

На фиг. 4 показан график зависимости температуры металла до и после процесса ламинирования от времени. Следует отметить, что как в случае процесса, характеризуемого фиг.2, имеет место существенное снижение температуры на участке между нагревателями, в частности, при контактировании в процессе формирования слоистого материала холодного полимера с нагретым металлом. Следует отметить также, что, как и в случае процесса, характеризуемого фиг. 2, скорость снижения температуры в ходе охлаждения составляет примерно 200^o в секунду.

Описанный способ и устройство могут использоваться, в частности, для нанесения полипропиленовой пленки на такие металлические материалы, как луженая жесть, черненая жесть, электролитически хромированные стали (ЕССS), алюминий и его сплавы.

На фиг. 5 показано устройство для одновременного нанесения покрытия из полипропиленовой пленки 4 на одну из второй полимерной пленки 32 на другую поверхность, металлической полосы 2 с образованием в результате слоистого материала 19В.

Изображенное на фиг.5 устройство аналогично устройству в соответствии с фиг. 1 в том плане, что питающий ролик 3, прижимные ролики 5, 6, нагреватель 8, второй нагреватель 9, емкость 10, насос 12, теплообменник 13 и отирающие ролики 17, 18 идентичны соответствующим элементам устройства, изображенного на рис.1.

Однако устройство, изображенное на фиг.5, снабжено дополнительным питающим роликом 31. Кроме того, металлическая полоса 2 в нем подается к прижимным роликам 5, 6 с ролика 1А через нагреватель 8 в вертикальном направлении. Такая вертикальная подача дает то преимущество, что довольно тяжелый металл свисает отвесно, без опасности образования кривой линии, что может приводить к перекашиванию полосы в устройствах в соответствии с фиг.1 и 3.

В устройстве, изображенном на фиг.5, вместо полых распределительных планок 14, 15, как в случае устройства в соответствии с фиг.1, имеется лоток 33. Этот лоток 33 в разрезе имеет воронкообразную форму. Сходящиеся части его стенок 36, 37 образуют внизу щель 38, через которую с зазором с каждой стороны проходит слоистый материал 19В. Благодаря зазору охлаждающая жидкость может проходить в лоток вместе со слоистым материалом. По ширине лоток 33 несколько шире полосы слоистого материала 19В, благодаря чему последний по всей ширине контактирует с потоком охлаждающей жидкости при прохождении через щель 38. В простейшем варианте лоток функционирует как устройство, обеспечивающее постоянный напор, и поэтому при строгом контроле скорости потока охлаждающей жидкости можно обойтись и без крышки 34, которая показана для того, чтобы продемонстрировать, как можно предотвратить разбрызгивание жидкости. Эта крышка предпочтительно изготавливается из прозрачного материала, для того чтобы через нее видна была жидкость в лотке. Хотя, как показано на чертеже, жидкость подается в лоток с одной стороны, через отверстие 35, более равномерное распределение охлаждающей жидкости может быть достигнуто за счет подачи ее в лоток с обеих сторон. Для предупреждения возникновения термических деформаций слоистого материала 19В желательно охлаждение его производить равномерно.

Устройство, изображенное на фиг.5, может быть модифицировано с горизонтальным или близким к горизонтальному перемещением слоистого материала 198, как в случае устройства в соответствии с фиг.3.

В нижеследующих таблицах описаны различные слоистые материалы и условия их получения.

Примеры.

В нижеприведенной таблице 1 описаны четыре слоистых материала (А-D). Конкретные примеры условий проведения процесса ламинирования приведены в таблице 2 (процесс проводился в устройстве в соответствии с фиг.5 или таком же устройстве, но модифицированном в отношении направления подачи материала, как в случае устройства в соответствии с фиг.3). Настоящее изобретение иллюстрируется примерами 1 4, 7, 8, 9, 10 и 12. Наиболее характерными из них являются примеры 7, 9 и 12.

В таблице 3 приведена характеристика покрытия после охлаждения и сушки с помощью воздуха. Было установлено, что если непосредственно перед охлаждением температура полипропилена достигает примерно 270^o, то в процессе охлаждения происходит разрушение покрытия, выражающееся в возникновении фибриллярности.

В таблице 4 приведены результаты испытаний некоторых из образцов в соответствии с таблицей 2. В таблице 5 приведены результаты ускоренных испытаний характеристик покрытия образцов 11 и 12.

Полипропиленовые покрытия толщиной 40 мкм, быстро охлажденные по способу в соответствии с настоящим изобретением, путем контактирования одной стороны полосы с водой в виде сплошного непрерывного потока (примеры 1 4 и 10), имеют блестящую поверхность с легкой белесоватостью. По структуре полученные пленки являются слабокристаллическими (L-форма) и имеют явно выраженную смектическую природу (кристалличность определялась с помощью рентгено-структурного анализа покрытия на металле по высоте пиков, соответствующих кристаллам α-формы.

Для сравнения отметим, что охлажденные на воздухе (пример 13) и путем орошения водой (пример 6) покрытия толщиной 40 мкм являются соответственно мутным и крапчато-мутным. Оба они имеют высокую степень кристалличности (L-форма).

При наиболее предпочтительном способе быстрого охлаждения (пример 7), путем контактирования со сплошным непрерывным потоком воды, направленным перпендикулярно движущейся в вертикальном направлении полосе слоистого материала 19 или 19В (фиг.1 и 5), образуется очень блестящее, без помутнений и не содержащее кристаллической фазы в a-форме покрытие толщиной 40 мкм.

Влияние способа охлаждения на характеристики покрытия толщиной 40 мкм иллюстрируются данными таблицы 4. Слоистый материал для испытаний получали в виде днищ для банок для напитков диаметром 65 мм. Сплошность покрытия определяли с помощью "Enomel hater test": способа, широко использующегося при производстве банок. Днища банок вначале погружали в разбавленный раствор хлористого натрия и в течение 30 секунд подвергали воздействию ультразвука, для того чтобы раствор мог проникнуть в местах нарушения целостности покрытия. После этого проводили "Enomel rate" под напряжением 6,3 В в растворе хлористого натрия. Величина тока в мА являлась мерой поверхности металлической основы, подверженной действию раствора вследствие дефектов покрытия. Из таблицы 4 видно, что материалы в соответствии с настоящим изобретением (образцы 1 4, 7 и 10) имеют значительно более низкие показатели в отношении величины тока, чем сравнительно образцы 6 и 13. При наиболее предпочтительном способе охлаждения (образец 17) поверхность стали, контактирующей вследствие возникновения дефектов с раствором, крайне мала. Приемлемыми являются днища, при испытаниях которых величина протекающего тока составляет менее 0,5 мА. При больших значениях срок хранения банок сокращается из-за чрезмерного растворения железа.

Пример 9 иллюстрирует улучшение структуры покрытия при одновременном охлаждении обеих сторон полосы (сравните пример 9, в котором одновременно охлаждались обе стороны, с примером 8, в котором охлаждалась одна сторона).

Пример 12 иллюстрирует улучшение качества покрытия, достигаемое при охлаждении по способу в соответствии с настоящим изобретением, с помощью ускоренных испытаний, имитирующих условия хранения пищевых продуктов. Сравнительный образец 11 по данным ускоренных испытаний, при контактировании с реальным продуктом, имеет значительно более плохие характеристики.

Скорость охлаждения контролирует степень кристалличности покрытия. При сравнительно низкой скорости охлаждения, например, с помощью воздуха, имеет место высокая степень кристалличности в a-форме. При охлаждении путем орошения полоса охлаждается быстро в местах попадания на нее капель жидкости и медленно в зоне вокруг этих мест, что приводит к образованию неоднородной поверхности с зонами со смектической фазой и фазой с высокой степенью кристалличности. При использовании для охлаждения сплошного непрерывного потока холодной воды, контактирующей с поверхностью слоистого материала, происходит быстрое и равномерное его охлаждение в направлении, перпендикулярном плоскости материала, в результате чего образуется покрытие со смектической структурой. Полностью смектическое покрытие получается при одновременном охлаждении обоих сторон материала указанным способом.

Присутствие в покрытии кристаллической фазы в a-форме вызывает белесоватость покрытия, что нежелательно. Следствием кристалличности является также возникновение "пустот" в покрытии при деформации слоистого материала, как это имеет место при изготовлении днищ банок. При деформации крупных кристаллов в a-форме в покрытии возникают пустоты в виде дорожек, в которые могут проникать агрессивные с точки зрения коррозии продукты. Неправильно охлажденные слоистые материалы могут обладать прекрасным сцеплением основы с покрытием, но из-за пустот иметь низкую стойкость к коррозии и малый срок хранения.

При быстром охлаждении слоистых материалов по способу в соответствии с настоящим изобретением образуется полиолефиновое покрытие со смектической структурой. При деформации такого покрытия в нем не возникают полости, и оно сохраняет свои прекрасные защитные свойства.

Следует отметить, что толщина полипропиленовой пленки, используемой для получения слоистых материалов, предназначенных для изготовления упаковок, может быть различной. Так, например, полипропиленовая пленка толщиной 3 мкм может комбинироваться с другими покрытиями при изготовлении днищ банок для напитков. Для изготовления же вентильных колпачков для аэрозольных баллонов, которые можно было бы загибать в конус без использования прокладки, может потребоваться полипропиленовая пленка толщиной 200 мкм.

Реферат

Использование: изготовление слоистого материала, включающего полипропиленовую пленку, соединенную с металлической основой. Слоистый материал может быть использован для изготовления тары, в частности банок. Сущность изобретения: в способе получения слоистого материала, охлаждающую жидкость подают между расположенными друг против друга направляющими, образующими зазор для прохода охлаждающей жидкости и ламината так, что поверхность ламината орошается сплошным непрерывным потоком охлаждающей жидкости в направлении перемещения ламината. В устройстве для получения слоистого материала приспособление для сбора охлаждающей жидкости выполнено в виде расположенных друг против друга направляющих элементов, образующих зазор для прохода ламината и охлаждающей жидкости, посредством чего орошается поверхность ламината сплошным потоком охлаждающей жидкости в направлении перемещения ламината. 2 с.п. ф-лы, 2 з.п. ф-лы, 5 табл., 5 ил.

Формула