автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Обоснование процессов изготовления и термосварки комбинированных материалов для упаковки молока

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. ШЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА

§ I.I. Упаковочные материалы и розничная тара для жидких молочных продуктов

§ 1.2. Способы получения комбинированных упаковочных материалов.

§ 1.3. Термосварка комбинированных материалов на основе бумаги.

В Продовольственной программе СССР на период до 1990 года намечено "Развивать опережающими темпами производство новых видов тары из алюминия, ламинированной бумаги, фольги, полимерных и других прогрессивных материалов" /I/. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981/85 годы и на период до 1990 года" намечено "Наращивать производство оборудования для . фасовки и упаковки продовольственных товаров".

Более полное удовлетворение потребностей населения страны в молочных продуктах настоятельно требует расширения выпуска фасованной продукции и улучшения качества упаковки. По данным отечественной и зарубежной практики наиболее экономически эффективной является упаковка разового пользования. Так в США в этой упаковке реализуется 51,5$ молока, в ФРГ и Японии по 46$, а в СССР только 15,5$ /8/.

Как в нашей стране, так и за рубежом происходит неуклонное возрастание производства тарьгиз комбинированных упаковочных материалов на основе бумаги /8, 82, 87/. Екегодный объем упаковки молока по данным ЦСУ составляет в стране 2,5 млн.тонн. Однако, ежегодно по стране в связи с низким качеством пакетов теряется около 50 тыс.тонн молока на сумму 15 млн.руб. /50/. Проблема течи молока из бумажных пакетов, это - не только экономическая, но и социальная проблема, так как потери ценнейшего продукта происходят на глазах у широких слоев населения, причиняя покупателям неудобства и нанося урон воспитанию бережливости. Важность этой проблемы подчеркивается центральной печатью, постановлениями Совета министров СССР, приказами союзных и республиканских министерств /4, 36, 40, 50, 55, 58, 64, 78/.

В "Основных направлениях работы новаторов производства, рационализаторов и изобретателей на 1983-1985 годы в области научно-технического прогресса в молочной промышленности" (Минмя-сомолпром РОФСР, 06.10.83, J6 I-I05-474) помещено требование: "продолжить совершенствование узлов и механизмов для образования швов пакетов и разработку других видов ликвидации течи молока из пакетов".

Целью диссертационной работы является разработка научно-обоснованных режимов технологических процессов изготовления и термосварки комбинированных упаковочных материалов на основе бумаги и создание устройств для сокращения потерь молока из бумажных пакетов.

На качество пакетов оказывает влияние большая сумма факторов: параметры комбинированного упаковочного материала, неисправности упаковочных автоматов, условия хранения и реализации пакетов и др. Все эти факторы, накладываясь друг на друта, создают такие сочетания, которые вызывают течь из пакетов. Для получения практических результатов, необходимо комплексное исследование всей массы факторов с выходом на создание устройств и способов, позволяющих добиться экономического результата.

В настоящей работе особое внимание уделяется исследованию процесса нанесения покрытия из чистого парафина и парафино-поли-этиленовых композиций. До настоящего времени этот вопрос мало изучен, в то же время он имеет важное значение. Например, статистические исследования массы покрытий комбинированного материала производства Семипалатинского бумажно-терного комбината показали, что отклонения от ОСТа массы полиэтиленового по1фытия не превышает + Ь%, а массы парафинового по1фытия + 29, - 10%. В связи с этим значительную часть из числа бракованных пакетов (до 15%) составляют пакеты, потерявшие за время хранения свою каркасность.

Существует несколько способов нанесения парафиновых покрытий на бумагу: при помощи валиков; методом окунания; при помощи шабера или фильеры /62/. При изготовлении комбинированного материала для упаковки молока применяется наиболее распространенный валиковый способ. Автором проведено теоретическое исследование процесса увлечения расплава покровных композиций. Проведено экспериментальное исследование реологических характеристик расплавов парафина и композиций на его основе. Аналитическим путем получены формулы для расчета секундной подачи расплава вращающимся путем в парафинирующей машине. Экспериментальная проверка теоретических формул подтвердила их правильность.

В диссертации проведены экспериментальные исследования процесса сварки упаковочного материала при изготовлении пакетов. С помощью специального сварочного стенда исследовали прочность и герметичность сварных швов. Аналитическим путем получены формулы для расчета прочности сварных швов в зависимости от режимов сварки. Исследована работа упаковочного автомата в неустановившемся режиме, то есть в период его прогрева.

Практическим выходом работы являются защищенные авторскими свидетельствами устройства, охватывающие технологический процесс от изготовления упаковочного материала до отгрузки корзин с пакетами.

Полученные на основе исследований зависимости использованы при разработке обоснованных режимов изготовления и термосварки комбинированных материалов для упаковки молока.

общие вывода

1. Разработана методика количественной оценки влияния различных факторов на герметичность Т-образных сварных швов. Наиболее значимыми факторами являются: нестабильность удельной массы бумаги-основы и парафинового покрытия, нагар на нагревательных элементах, отклоннние температуры сварки в период прогрева носителей нагревателей.

2. Получены реограммы и температурные зависимости вязкости расплава пищевого парафина и его смесей с полиэтиленом высокого давления. Установлено, что расплав парафина представляет собой ньютоновскую жидкость. Расплав композиции парафина с массовой долей полиэтилена 0,03-0,04 кг/кг является неньютоновской жидкостью с предельным напряжением сдвига 0,8-1,3 Па.

3. Аналитическим путем получены формулы для расчета секундной подачи ньютоновской и неньютоновской жидкости, увлекаемой поверхностью вала, который частично погружен в жидкость.

4. Экспериментально показано, что расчет скорости вращения наносящего вала парафинирующей машины можно производить по аналитическим формулам: (2-89) - Для композиций парафина с полиэтиленом и.(2-47)- для парафина без добавок.

5. Установлено, что прочность Т-образных сварных соединений бумаги, покрытой термопластом, определяется адгезионной прочностью связи термопласта с бумагой. Получена формула для расчета прочности адгезионного соединения термопласта с бумагой в сварных швах.

6. Рекомендованы научно-обоснованные режимы сварки швов в автоматах для упаковки молока в бумажные пакеты.

7. Для повышения качества бумажных пакетов и сокращения потерь упакованного продукта, на основе проведенных исследований, разработаны устройства, защищенные авторскими свидетельствами, в том числе отбраковачное устройство для пакетов, удостоенное первой премии на Всесоюзном конкурсе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комбинированные упаковочные материалы на основе бумаги широко распространены в области упаковки молока и молочных продуктов как в СССР, так и за рубежом. В настоящее время в СССР остро стоит вопрос о качестве бумажных пакетов в форме тетраэдра - наиболее распространенной разовой упаковки для молока. Исследование процесса изготовления упаковочного материала на основе бумаги и пакетов из этого материала носят эпизодический характер. Комплексное исследование этих взаимосвязанных процессов не производилось.

На герметичность сварных швов оказывают влияние многочисленные факторы, которые упоминаются в литературе, однако количественное влияние этих факторов на качество пакетов не было исследовано. Из всей суммы факторов не выделены наиболее значимые,

Наружное покрытие бумажных пакетов не удовлетворяет требованиям транспортировки и реализации пакетов. В качестве наружного покрытия целесообразно использовать не чистый парафин, а модифицированный трехпроцентной добавкой полиэтилена. Нанесение этой композиции на бумагу с помощью валиковых парафинеров, которые используются предприятиями, затруднено в связи с повышенной вязкостью композиции по сравнению с чистым парафином. Реологические исследования композиций парафина с добавками полиэтилена в расплавленном состоянии, при различных температурах не были проведены, что затрудняло разработку научно-обоснованных режимов нанесения покрытия (скорости вращения наносящего вала и температуры расплава покровной массы).

В цехах розлива молочных заводов при эксплуатации упаковочных автоматов технологические режимы сварки швов наладчики устанавливают по интуиции. Научно-обоснованные режимы сварки швов при изгртовлении пакетов не были разработаны.

В соответствии с целью диссертационной работы экспериментальные и аналитические исследования были направлены на решение следующих задач:

1. Количественная оценка влияния различных факторов на герметичность сварных швов.

2. Выявление зависимостей между температурой расплавов па-рафйно-полиэтиленовых композиций и реологическими характеристиками этих расплавов.

3. Установление математических зависимостей между объемной подачей расплавленного покрытия наносящим валом и скоростью вращения вала в парафинирующих машинах (для расплавов, представляющих собой как ньютоновскую, так и неньютоновскую жидкость).

4. Определение зависимости между режимами сварки и качественными показателями сварных швов: прочностью, герметичностью.

5. Разработка, на базе проведенных исследований, устройств для контроля и улучшения качества упаковочных материалов и сварных швов пакетов.

Глава П. РАЗРАБОТКА ПРОЦЕССА НАНЕСШИ ВЛАГОЗАЩИТНЫХ

ПОКРЫТИЙ НА БУМАГУ

При проведении исследований возникла необходимость в создании специальных экспериментальных установок. Основным критерием при разработке этих установок служило максимальное приближение к производственным условиям. В конструкцию экспериментальных стендов были включены наиболее важные детали и узлы, взятые непосредственно с производственных аппаратов.

§ 2.1. Экспериментальные установки, приборы и методы исследования

I. Стенд для измерения вязкости расплавленного парафина и его смесей с полиэтиленом

Для изучения реологических характеристик вязкости, предельного напряжения сдвига расплава парафина и его смесей с полиэтиленом, при различных температурах, был собран специальный стенд, который содержит (рис.5) воздушный насос I, бутыль 2 емкостью 10 л, капиллярный вискозиметр Уббелоде 3, который с помощью пробки закрепляется в стеклянном сосуде 4 для термостатирующей жидкости. Сосуд 4 устанавливался в ультратермостат 5 типа МЗЕ про

Рис.5. Стенд для измерения вязкости:

I - воздушный насос; 2 - бутыль; 3 - вискозиметр; 4 - сосуд для термостатирующей жидкости; 5 - ультратермостат; 6 - ловушка для жидкости; 7 - жидкостный манометр. изводства " Medingen" 1ДР. Температуру жидкости в сосуде 4 контролировали с помощью ртутного термометра с ценой деления 0,1 град. Давление, подаваемое на вискозиметр, измеряли с помощью жидкостного U-образного манометра 7, снабженного ловушкой 6 для жидкости. В качестве жидкостивв манометре использовалась дистиллированная вода - при измерении давлений до 370 мм.вод.столба (3626 Па), и ртуть - при измерении давлений свыше 3626 Па (27,3 мм.рт.ст.).

Перед рабочими измерениями, определяли постоянную вискозиметра по эталонной жидкости - дистиллированной воде. Объем шарика вискозиметра измеряли путем взвешивания пустого и заполненного водой вискозиметра. Методика эксперимента заключалась в следующем. Тщательно промытый, сухой вискозиметр заполняли исследуемым веществом и термостатировали при выбранной температуре в течении 25 минут. Измерение времени истечения объема жидкости, равного объему шарика вискозиметра, производили с помощью секундомера с ценой деления 0,1 м.

2. Установка для исследования процесса увлечения жидкости вращающимся валом.

Установка предназначена для измерения секундной подачи жидкости увлекаемой вращающимся валом, частично погруженным в жидкость.

Стенд состоит из вала I рис.6, который приводится во вращение приводом со строго постоянной скоростью вращения. Под валом находится ванна 2 для исследуемой жидкости 3. Ванна помещена в термостат. К валу прилегает подпружиненный скребок 4, предназначенный для сбора жидкости в емкость 5. Измерение подачи проводили следующим образом: емкость 5 подставляли на определенное время (по секундомеру) под скребок 4, а затем взвешивали собранную жидкость и рассчитывали подачу.

3. Экспериментальный стенд для сварки поперечных швов

Стенд предназначен для исследования режимов сварки и тепло-физических характеристик комбинированного материала. Стенд позволяет в широких пределах варьировать параметрами сварки и оперативно использовать комбинированный материал с различными качественными показателями, при этом влияние посторонних факторов .

Рис.6. Схема установки для исследования процесса увлечения жидкости вращающимся валом. I - вал, 2 - ванна, 3 - жидкость, 4 - скребок, 5 - емкость для сбора жидкости. на процесс сварки сведено к минимуму. Стенд собран на основе твердомера ТШ-ЗМ (рис.7а). В верхней, неподвижной части твердомера укреплен носитель нагревателя (3) от промышленного автомата Д9-.А11Ш, а в подвижной, нижней, части - носитель амортизатора (2). Давление в зоне сварки создается через систему рычагов с помощью гирь (4). После окончания сварки нагрузка снимается вручную с помощью рычага (6).

Электрическая часть стенда включает в себя схему питания сварочного трансформатора и реле времени собранное на составном транзисторе. В первичную обмотку сварочного трансформатора включены вольтметр и амперметр с целью регистрации напряжения и тока. Напряжение,подаваемое на первичную обмотку, регулируется с помощью лабораторного автотрансформатора. Запуск реле времени осуществляется от конечного выключателя, расположенного под рычагом твердомера. В схеме реле времени предусмотрено плавное регулирование продолжительности включения нагревателя от 0 до 0,8 сек.

На вертикальной панели щита (рис.76) размещены вольтметр 9 и амперметр 10, показывающие напряжение и ток в первичной обмотке сварочного трансформатора. На горизонтальной панели расположены: тумблер II для включения стенда в сеть, регулирующая ручка 12 лабораторного автотрансформатора, позволяющая плавно изменять напряжение первичной обмотки сварочного трансформатора в пределах 0-250В, ручка регулирования времени сварки 13 и сигнальная лампа 14. Для контроля работы реле времени, в схеме предусмотрен электросекундомер.

Сварку швов производили следующим образом. Коромысло 5 (рис. 7а) нагружали гирями соответственно нагрузке, которую нужно получить между носителями во время сварки. На щите управления с помощью ЛАТРа выставляли напряжение, которое нужно подать на нагреватель 7 в момент сварки. С помощью рукоятки переменного сопротивления выставляли необходимую длительность импульса тока. Подготовленный образец в виде рукава комбинированного материала вставляли между носителями амортизатора и нагревателя. С помощью маховика 8, носитель амортизатора прижимали к носителю нагревателя (материал находится между носителями). В тот момент, когда сила прижатия достигает величины заданной гирями, срабатывает выключатель и автоматически подается импульс напряжения на нагреватель. Затем с помощью рычага 6 коромысло 5 отводили вверх, тем самым снимали нагрузку со сваренного образца. С помощью маховика 8 носитель амортизатора 2 отводится вниз и образец со сваренной парой швов вынимается из-под нагревателя.

4. Методика измерения температуры в зоне сварки поперечных швов

Для определения рациональных температурных режимов сварки разработан стенд, с помощью которого определяли температуру в зоне сварки швов.

Исследование процесса сварки термопластичных пленочных материалов путем непосредственного измерения температуры в зоне сварки швов проводилось некоторыми авторами /65/. Относительно редкое использование этого метода, очевидно, объясняется тем, что исследование качества сварных швов проводилось в основном для однослойных пленок, получаемых путем экструзии, которые имеют стабильную толщину и стабильную теплопроводность. Благодаря этому, температура в зоне сварки шва однозначно определяется режимными параметрами сварки. Этого нельзя сказать о комбинированном материале на основе бумаги теплопроводность которого варьирует в широких пределах, от чего и температура в зоне сварки шва нестабильна при одних и тех же режимах сварки. Термосопротивление комбинированного материала на основе бумаги нестабильно в связи с варьированием таких параметров как:

- толщина, удельная масса, влажность и структура бумаги-основы;

- давление при сварке;

- удельная масса полиэтиленового и парафинового покрытия.

Количественное влияние данных факторов на температурный режим сварки определяли по следующей методике.

Для измерения температуры на поверхности нагревательного элемента и в зоне сварки швов, т.е. между свариваемыми слоями, применяли термопары медь-константан (диаметр проволоки 0,1 мм рабочий спай сплющен до толщины 0,05 мм). Свободный конец термопары помещали в сосуд с тающим льдом. В качестве измерительного прибора применяли микроамперметр М-95 с многопредельным щунтом типа Р4. Для исследования закономерностей изменения температуры нагревателя и температуры в зоне сварки в течении сварочного импульса на осциллографе Н008М производили запись температуры на фотопленку. Устанавливали связь показаний осциллографа и микроамперметра. Измерение температуры в зоне сварки поперечного шва производили по следующей схеме. Из ламинированной бумаги с помощью специальной высечки выделяли образцы диаметром 0,008 м. Образцы вставляли в гнездо матрицы I (рис.8), которую устанавливали на подложке из бумаги-основы 3. Рабочий спай термопары 2 помещали в гнездо матрицы I и закрепляли с помощью липкой ленты 5 к подложке 3. Свободный спай термопары помещали в сосуд с тающим льдом. Место приложения нагревательного элемента показано на рис.8 пунктирными линиями. В качестве опоры использовали резиновый амортизатор 6.

5. Определение удельной массы покрытий комбинированного материала

Для получения статистических распределений удельной массы покрытий комбинированного материала использовали методику согласно OCT 49-171-81.

Применяемые приборы и реактивы:

Весы лабораторные ГОСТ 19491-74 П кл. точности; бензин-растворитель по ГОСТ 3134-78. а. Определение массы I м2 полиэтиленового покрытия.

Образцы погружают в бензин-растворитель на 5+1 мин., затем пленку отделяют от бумаги, сушат сначала салфеткой, затем в суО

Рис.8. Схема измерения температуры в зоне сварки поперечных швов. шильном шкафу 4*6 мин. при температуре Ю5°С. Взвешивают с погрешностью 0,001 г, затем производят пересчет в граммы на I м2. б. Определение массы I м2 парафинового покрытия. Образцы площадью 10000 мм2 подсушивают 446 мин. затем взвешивают. Растворяют покрытие в течении 14-16 мин. при t = 20+2°С, промокают и сушат 10 мин. при температуре Ю5°С. Затем снова взвешивают, вычисляют разность веса до и после растворения покрытия. Производят пересчет в граммы на I м2.

6. Определение сплошности парафинового покрытия.

Для оценки качества наружного покрытия комбинированного материала на основе бумаги, при сравнении отечественных и зарубежных образцов использовался метод согласно OCT 49-171-81, сущность которого заключается в проникновении красителя через покрытие.

Применяемые приборы и реактивы: вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, спирт этиловый ГОСТ 18300-72, краситель метиленовый голубой по нормативно-технической документации.

Подготовка к проведению испытаний. Раствор красителя готовят следующим образом:

0,1 г. порошка растворяют в 0,5 л.дистил.воды к раствору добавляют 0,5 л.спирта.

Проведение испытания. На образце вычерчивают квадрат со стороны парафинового покрытия 200x200 мм, кистью наносят раствор красителя и сразу же смывают проточной водой. Визуально определяют количество точек проникновения краски. Сплошность считается хорошей, если в квадрате пло-р щадью 10000 мм имеется не более 40 точек проникновения краски.

§ 2.2. Параметры комбинированного материала на основе бумаги и их влияние на качество сварных швов пакетов

Герметичность пакетов зависит от стабильности параметров комбинированного материала, в число которых входят характеристики бумаги-основы и покрытий. Исследование комбинированного материала (ОСТ 49-171-81) включало статистическую обработку результатов измерения этих параметров и количественную оценку их влияния на температуру в зоне сварки швов.

Нестабильность удельной массы бумаги исследовали путем взвешивания образцов диаметром 0,008 м. Из различных партий бумаги-основы брали образцы, из которых изготавливали с помощью специальных высечек диски диаметрами 0,004; 0,006; 0,008; 0,01; 0,012 и 0,014 м. Было изготовлено 6 партий по 40 дисков. Каждая партия состояла из дисков одинакового диаметра. Диски по отдельности взвешивали, затем, для каждой партии, определяли среднеквадрати-ческое отклонение удельной массы дисков (кг/м2). По экспериментальным данным построили кривую "а" (рис.9). На этом же рисунке помещена кривая "б", отражающая зависимость относительной погрешности измерения массы дисков на аналитических весах BJLA. 200 г-м. Анализируя одновременно обе кривые приходим к выводу, что оптимальное значение диаметра D составляет 0,008 м. При уменьшении диаметра дисков меньше данного значения, среднеквадратичес-кое отклонение массы бумаги практически не увеличивается, это говорит о том, что для определения экстремальных значений массы бумаги нет надобности еще уменьшать диаметр образцов. К тому же уменьшение диаметра D вызывает существенное возрастание относительной погрешности определения удельной массы бумаги.

Путем взвешивания образцов диаметром 0,008 м исследовали

Но3, кг/и2 б 4

12 8

- 4 о L о

V а\

0 4 8/2 D-I0, м

Рис.9. Зависимость среднеквадратического отклонения массы дисков б" кг/м^ (кривая (X) и относительной погрешности взвешивания % (кривая5) от диаметра дисковВ,м. на нестабильность массы 3 партии бумаги-основы. Объем выборки с каждой партии составил 30 образцов.

Результаты исследований отражены в табл.2^