Отделочные операции. 
Технология переработки полимеров: изделия из полимерных листов и пленок

К отделочным операциям изделий отформованных из термопластов относится нанесение на них надписей и изображений либо с помощью печати, либо по IML- технологии.

Нанесение с помощью печати надписей и изображений можно осуществлять несколькими способами.

Один из них заключается п нанесении деформированных надписей или изображений до начала процесса формования с тем, чтобы в ходе этого процесса данная надпись или данное изображение приняли желаемый вид. Точность метода зависит от глубины вытяжки, формы изделия, качества листа термопласта (предпочтителен материал, не подвергшийся в процессе л истования вытяжке, достаточно однородный по своим физико-механическим свойствам, равнотолщинный), а также от степени квалификации основных и вспомогательных рабочих. Чем глубже вытяжка изделия, тем больше вероятность неточностей. Выполнение деформированного шаблона надписи или изображения требует значительного опыта, знаний основных закономерностей процесса формования и точности.

Перед изготовлением такого шаблона на заготовку со стороны, на которой впоследствии будет необходимо получить рисунок, наносят делительную сетку, применяя кольцевые и радиальные линии для круглых изделий и взаимно перпендикулярные линии — для изделий прямоугольной формы. При этом на делительной сетке отмечается координата каждой из проведенных линий. Чем с меньшим интервалом наносятся линии делительной сетки, тем меньшие искажения рисунка получатся на готовых изделиях. Второй экземпляр точно такой же делительной сетки нужно иметь на листе бумаги (бумажном шаблоне).

Формование шаблона обязательно производится на той марке оборудования и на том формующем инструменте, которые будут использоваться при производстве серийной продукции. После получения качественного шаблона обязательно фиксируются все технологические параметры, при которых он был отформован.

Затем шаблон изделия вырубается или вырезается из заготовки и в течение суток вылеживается при температуре 18−20 °С, после чего на него наносятся контуры того рисунка, который будет серийно воспроизводиться в условиях производства. При этом очень важно не закрыть и не повредить делительную сетку, полученную при формовании шаблона.

Для получения искаженного рисунка определяются координаты каждой точки пересечения линий рисунка с линиями делительной сетки на шаблоне, и эта точка фиксируется в соответствующих координатах на заготовленном заранее плоском бумажном шаблоне.

Не рекомендуется сразу заказывать печатные валы или матрицы на полученный искаженный рисунок. Лучше предварительно вручную воспроизвести искаженный рисунок на 3−5 заготовках, отформовать из них изделия, оценить качество получаемых рисунков, и, если это окажется необходимым, внести соответствующие коррективы в искаженный рисунок. Подобную процедуру при глубокой вытяжке часто приходится повторять несколько раз. При получении изделий с малой глубиной вытяжки удовлетворительный результат может быть достигнут с первого раза.

При получении цветных изображений надо иметь в виду, что оттенки цветов на искаженном рисунке всегда будут немного отличаться от оттенков окраски рисунка на готовом изделии. Причем это отличие будет в том или ином месте рисунка тем больше, чем большую деформацию в этом месте получил материал заготовки.

Есть еще один способ получения искаженного рисунка. Он менее точен и используется только для изделий с небольшой глубиной вытяжки. Рисунок наносится на предварительно отформованное изделие, не отделенное от заготовки. Затем это изделие снова закрепляется в зажимном устройстве термоформущего оборудования и нагревается до температуры высокоэластичсского состояния. При этом за счет внутренних напряжений лист возвращается к своему первоначальному состоянию (близкому к плоскому). Затем лист охлаждают и определяют степень необходимого искажения для корректировки рисунка.

При нанесении печати на изделия с очень малой степенью вытяжки можно использовать листовые заготовки с нанесенными на них действительными, недеформированными надписями и изображениями, поскольку слабое растяжение, претерпеваемое такими заготовками в процессе формования, нс приводит к заметному искажению надписи или изображения.

Второй способ нанесения рисунка — печать на отформованном изделии. Этот способ наиболее применим для изделий с глубокой вытяжкой и сложной конфигурацией и предполагает использование недеформированного рисунка.

При нанесении печати на готовые изделия и заготовки из неполярных полимеров (например, полиэтилена, полипропилена, сополимера этилена с винилацетатом и других) предварительно необходимо их поверхность обработать с целью улучшения адгезии между красителем и полимером. Такая необходимость объясняется тем, что вследствие инертности и неполярности полимеров между ними и красителями не возникают механические и химические связи. Методы предварительной обработки могут быть разными, однако суть их сводится в подавляющем большинстве случаев к окислению поверхности. Обработка может быть химическая, электрическая, растворителем и пламенем.

Химическая обработка основана на использовании сильных окислительных агентов (например, хромовой кислоты), которые воздействуют на поверхность полимера с образованием углерод-кислородных связей. Этот метод грязен и опасен. Его используют достаточно редко и только для изделий сложной формы, когда трудно использовать другие методы.

Обработка растворителем основана на эффекте разбухания и частичного растворения в некоторых горячих органических жидкостях, таких как толуол или хлорированные углероды, с последующей сушкой горячим воздухом. Этот метод лучше всего подходит для толстостенных изделий. Основной недостаток метода — необходимость устройств для улавливания паров растворителей.

Для обработки поверхностей используется и воздействие окисляющим пламенем в течение 0,2−0,3 с. При этом образуются углерод-кислородные связи, поверхность становится смачиваемой п способной образовывать адгезионную связь между красителем и термопластом.

Для плоских пленок и тонколистовых материалов наиболее эффективна электрическая обработка. Пленка пропускается между двумя электродами, один из которых представляет собой металлическую ленту, соединенную с генератором высокого напряжения (10−40 кВ) и высокой частоты (1−4 кГц). Вторым электродом является заземленный валок. Расстояние между электродами колеблется от 1,5 до 5 мм.

Валок-электрод выполняется, как правило, из стали с покрытием из диэлектрика. Ленточный электрод обычно на 10−15 мм уже, чем обрабатываемая поверхность. Это позволяет исключить возможность прямого разряда на палок. Электрический разряд сопровождается образованием озона, который окисляет поверхность пламенем, делая ее полярной и способной удерживать краску. Время между предварительной обработкой и печатью должно быть сведено к минимуму, так как влияние обработки со временем уменьшается. Кроме того, обрабатываемая поверхность очень чувствительна к пыли.

Оборудование для нанесения печати на объемные изделия значительно разнообразнее по своей конструкции, чем печатные машины, предназначенные для оформления листовых или рулонных материалов. Различие форм и размеров объемных изделий обусловливает многообразие конструкций печатных аппаратов. Именно по этой причине для нанесения печати на объемные изделия наряду со специализированными печатными машинами и универсальным оборудованием, состоящим из механизированных агрегатов или автоматизированных линий, все еще находят широкое применение (особенно при малых тиражах) ручные печатные станки, где более низкая производительность окупается сравнительной простотой и дешевизной печатного устройства. Конструктивное исполнение печатного аппарата для нанесения печати на объемные изделия из термопластов определяется формой изделий и особенностями способа печати.

Чаще всего изделия условно подразделяют на три группы: с цилиндрическими или коническими, плоскими и выпукло-вогнутыми поверхностями. На изделия первой группы надписи и изображения наносятся чаще всего способами трафаретной и типоофсетной печати; второй группы — трафаретной печати и третьей группы — тампоиечати, трафаретной печати и электростатической печати.

Трафаретная печать отличается значительной толщиной красочного слоя (более 100 мкм), что с одной стороны осложняет сушку оттисков и получение высококачественных полутоновых изображений, ас другой стороны позволяет воспроизводить непросвечивающие изображения и надписи на прозрачных изделиях. Простота изготовления печатных форм и малая стоимость оборудования позволяют обеспечить экономичное печатание даже малых тиражей. Оборудование для трафаретной печати разделяют на машины и станки для печати по плоским листовым и рулонным материалам и для декорирования различных объемных изделий. Для трафаретной печати разработаны все виды оборудования от автоматических линий до ручных станков. Так, например, плоскопечатные трафаретные автоматы и линии для печати на полимерных материалах имеют устройства для предварительной обработки материала перед печатью, механизмы для накопления и подачи листов, печатные столы, печатные блоки, сушильные устройства.

Для нанесения печати на крупногабаритные изделия применяют преимущественно полуавтоматические трафаретные машины с сушильными тоннелями для сушки оттисков. Для декорирования изделий небольших размеров (например, тары с объемом до 2 л) используют автоматические линии высокой производительности — 3000−6000 оттисков/ч.

Типоофсетная печать, в отличие от классической офсетной, использует нсувлажненныс рельефные формы высокой печати. Типоофсетные печатные машины наносят не только печать, но и слой покровного лака. Типоофсстные печатные машины применяют в автоматических линиях для изготовления банок, стаканчиков и т. п.

Тампопечать применяют для оформления полимерной тары сложной конфигурации. Изображение с металлической глубокой формы передается на изделие посредством эластичного тампона (груши). В других вариантах тампопечати используют плоские или рельефные (высокие) формы. Для тампопечати используют высоковязкие краски, что позволяет наносить печать на изделия последовательно в 2−4 краски. При этом, в отличие от трафаретной печати, нс требуется промежуточная сушка. Возможна печать на изделиях с вогнутой и ступенчатой поверхностью, имеющей впадины, вмятины, различные дефекты и отклонения от точных размеров. Машины для тампопечати могут встраиваться в автоматические линии и обеспечивать одновременно печать параллельно нескольких изделий. Так, имеются машины, позволяющие методом печати оформлять 20 000−30 000 мелких изделий в час.

В последние годы для изделий сложной формы все шире стала применяться электростатическая печать. Эта техника использует электрически заряженный трафарет, состоящий из электропроводящего металлического экрана с тонкими отверстиями, на котором замаскированы ненужные участки. Другим компонентом системы является проводящий задний электрод того же самого размера и формы, что и экран, и расположенный почти параллельно ему. Тонкоизмельченную порошкообразную краску подают сзади экрана, где она приобретает заряд экрана и притягивается через открытые отверстия к заднему электроду в местах, точно соответствующих рисунку экрана. Рисунок можно фиксировать нагреванием или растворителем. С изделия из полистирола и полиолефинов, в связи с особенностью их молекулярного строения, необходимо предварительно снять статический заряд.

Говоря о нанесении печатных рисунков на формованные изделия, необходимо сказать об основных требованиях к используемым краскам. Краски для нанесения искаженных рисунков на заготовки должны быть устойчивы к температурам, при которых будут формоваться изделия. Они не должны растрескиваться в процессе деформирования заготовки в изделие. Краски для нанесения изображений на готовые изделия, получаемые формованием с контактным нагревом, не должны прилипать к нагревателю.

Последние время при формовании различных упаковок вместо нанесения печатного рисунка все чаще используется технология IML (от англ, in-mold labelling — этикетирование в пресс-форме). Этот метод декорирования изделий, применявшийся ранее только при литье под давлением, заключается в следующем. Изготовленная заранее этикетка вставляется специальным роботом в формующий инструмент, и в момент формования заготовки этикетка соединяется со стенкой изделия. В результате этикетка становится неотъемлемой частью отформованной упаковки. Проблему адгезии решают коэкструдированные многослойные этикетки из ПП, содержащие слой низкоплавкого ПП. Стоимость такой этикетки толщиной 75 мкм немного выше, чем у аналогичных этикеток, используемых в процессе литья под давлением. Однако уже отработана технология производства этикеток толщиной около 60 мкм и ожидается появление этикеток толщиной 40 мкм. В процессе термоформования этикетки не должны рваться, съезжать, сминаться.

Вторым препятствием на пути использования технологии IML была сложность удаления пузырьков воздуха, остававшихся между этикеткой и стенкой изделия и портивших внешний вид упаковок. Теперь этикетки выпускаются с микроскопическими невидимыми глазом отверстиями, размещенными по всей площади, через которые воздух полностью удаляется. Изделие сразу приобретает высокую степень защиты от подделок, сохраняет первоначальный вид на всех этапах эксплуатации. Проблему удаления воздуха из-под этикеток в ряде случаев помогает решить использование этикеток с рельефным рисунком, так как рельеф способствует удалению воздуха. Кроме того, как утверждают производители подобных этикеток, они имеют лучшую адгезию к изделиям и меньшую усадку.

Этикетка должна быть настолько гибкой, чтобы она нс только не препятствовала усадке изделия, но и нс вызывала никакой деформации, например, при усадке.

Поскольку этикетка, нанесенная на изделие внутри формующего инструмента, становится его неотъемлемой частью, то повышает его жесткость и прочность и позволяет сэкономить до 20% стоимости сырья, уменьшая толщину стенок изделия, на которые наносится этикетка.

Лицевая сторона этикетки должна быть максимально гладкой.

Этикетки печатаются прямо в ходе формования с помощью^{-технологии.} Производительность такого оборудования даже при глубокой вытяжке составляет 25 000 изделий в час и более.

Технология IML применительно к термоформованию в настоящее время развивается в нескольких направлениях.

Наиболее отработанной может считаться технология, использующая формы с поворотными гнездами. Существуют системы с 4, 8 и 12 позициями, работающие с производительностью 15−20 циклов в минуту.

Некоторые производители оборудования оснащают свои машины формовочным столом с сервоприводом, который может поворачиваться на 90°, облегчая процесс нанесения этикеток. Этикетки наносятся роботом с линейным приводом и двумя поворотными головками, которые подходят к форме с двух сторон. С помощью этого же робота удаляются готовые изделия.

Ряд производителей отдает предпочтение конструкциям без поворотной формы. Например, на машину устанавливаются две неподвижные формы. В то время как удаляется готовое изделие и вкладывается этикетка в одну из форм, в другой форме происходит процесс формования. Производительность в этом случае составляет около 20 циклов в минуту.