PostHeaderIcon Свойства многослойных и комбинированных материалов

Современная упаковка требует применения полимерных материалов, обладающих комплексом свойств, таких, как привлекательный внешний вид, механическая прочность, заданная газо- и паропроницаемость, свариваемость, низкий коэффициент трения, термостойкость. Нет полимерного материала, который обеспечивал бы одновременно все перечисленные свойства и при этом имел бы приемлемую цену. Поэтому разрабатывают и применяют упаковочные материалы из нескольких слоев разных полимеров (так называемые многослойные пленочные материалы - МПМ) или полимеров в сочетании с другими материалами — картоном, тканью, бумагой, алюминиевой фольгой (комбинированные пленочные материалы — КПМ). Такие материалы могут характеризоваться спектром свойств, которым не обладали один из слоев в отдельности. Комбинированные и многослойные материалы во всем мире находят широкое применение. Это объясняется практически неограниченными возможностями варьирования их свойств за счет нескольких факторов:

  • выбора состава композиционного материала;
  • изменения порядка чередования слоев;
  • обеспечения необходимого уровня адгезионного взаимодействия между слоями;
  • выбора оптимальной технологии и оборудования для получения конкретного материала.

Создание и расчет свойств таких материалов представляют важную научно-техническую задачу и требуют анализа в каждом конкретном случае, поскольку приходится принимать во внимание множество переменных величин (материалы, толщина отдельных слоев, структура многослойного материала, способ его переработки и т. д.). В первом приближении можно считать, что свойства пленок определяются либо по правилу смесей, либо при большом различии свойств параметрами компонента (слоя), имеющего экстремальные характеристики. Для точного расчета комбинации необходимо учитывать явления на границе раздела фаз, которые оказывают очень существенное влияние, особенно на деформационные и прочностные показатели пленок (см. табл.).

Интересно, что свойства слоя полимера в многослойной системе могут отличаться от показателей отдельной пленки из того же материала. Особенно значительные эффекты в области изменения механических характеристик наблюдаются в материалах, содержащих жесткий и мягкий или хрупкий и вязкий слои. В качестве примера рассмотрим композиционный материал, в составе которого слой полимера с высоким относительным удлинением. При испытании на разрушение при растяжении за счет соединенных слоев с высоким относительным удлинением может снижаться возможность распространения поперечной трещины в твердом слое. Благодаря блокированию распространения трещин в твердом слое могут достигаться напряжения пластического течения. В результате слоистый материал приобретает способность существенно растягиваться в длину «вязким» образом. Однако взаимное влияние слоев дает и противоположный эффект. В частности, обычно пластичный полимер ведет себя как хрупкий в слоистом материале.

Таблица Свойства многослойных и комбинированных полимерных материалов:

Показатель Определение свойств при соединении материалов
с близкими показателями с сильно различающимися показателями
Усилие при разрушении Суммарное Суммарное
Разрушающее напряжение при растяжении На уровне компонентов Среднее значение, зависит от соотношения толщины слоев
Относительное удлинение при разрыве На уровне компонентов На уровне наименьшего значения
Проницаемость для газов и паров воды Уменьшается обратно пропорционально толщине пленки На уровне наименее проницаемого из компонентов
Жиростойкость На уровне компонентов Характерна для контактирующего с жиром слоя
Коэффициент трения Определяется свойствами внешних слоев Определяется свойствами внешних слоев
Свариваемость Определяется свойствами внешних слоев Определяется свойствами внешних слоев

 

В промышленных масштабах выпускается широкий ассортимент многослойных пленок и комбинированных пленочных материалов, в которых полимерные слои сочетаются с бумагой, картоном, металлом или тканью. Число слоев в таких пленках составляет от 2 до 10 и более. При этом ряд слоев в такой системе может повторяться.

Обеспечение монолитности композиционного упаковочного материала достигается за счет адгезии, т. е. взаимодействия разнородных тел, приведенных в контакт. Адгезия – сцепление поверхностей разнородных материалов, позволяет склеивать материалы или наносить покрытия.

Количественно адгезия оценивается удельной энергией или удельной силой разрушения соединения, которая называется адгезионной прочностью. Адгезионная прочность — важнейшая эксплуатационная характеристика композиционных материалов. Адгезионное взаимодействие пленочных слоев способствует синхронизации их поведения при механическом деформировании, т. е. вовлечению в процесс деформации всех компонентов материала. Адгезионное взаимодействие является специфическим фактором в гетерогенной системе, изменяющим подвижность и структуру не только граничных, но и отдаленных от поверхности слоев полимера. Поэтому улучшение эксплуатационных свойств композитов часто связано с изысканием методов регулирования адгезионного взаимодействия между компонентами гетерогенной системы. К подобным технологическим приемам относятся очистка и активирование поверхности, использование адгезивов и т. д.