國外多層共擠吹塑薄膜關(guān)鍵設(shè)備狀況.doc

國外多層共擠吹塑薄膜關(guān)鍵設(shè)備狀況 多層復(fù)合薄膜的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)需要，把不同性能的材料進(jìn)行復(fù)合，使其具有各種性能。例如為了防止薄膜外層在熱封過程中與熱封裝置相粘連, 薄膜外層應(yīng)采用熔點(diǎn)較高的材料如LDPE、HDPE、MDPE或PA。對(duì)于熱封和包裝機(jī)械來說，它需要被加工的薄膜具有良好的機(jī)械加工性能，多層復(fù)合膜中采用MDPE或HDPE，可以提高復(fù)合膜的強(qiáng)度和堅(jiān)挺性，確保其有良好的機(jī)械加工性能。多層共擠吹塑薄膜為一步工藝制成，不需要許多傳統(tǒng)的復(fù)合及涂覆等后加工。相應(yīng)地，復(fù)合用的半成品儲(chǔ)存及每次復(fù)合所進(jìn)行的反復(fù)修邊工藝均可省去，使原料費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用明顯降低。薄膜產(chǎn)品所需的一些功能性添加劑，如色母粒、滑爽劑等，僅加入到所需的表層中，而內(nèi)層無此功能的要求，則不加。在阻隔性多層共擠吹塑薄膜生產(chǎn)中，節(jié)省材料費(fèi)用顯得尤為突出。根據(jù)市場(chǎng)中不同樹脂的價(jià)格，通過設(shè)計(jì)不同的共擠結(jié)構(gòu)，廠家可以選擇生產(chǎn)最優(yōu)化的產(chǎn)品。例如，某一多層共擠復(fù)合膜的結(jié)構(gòu)為LDPE/HV(粘結(jié)層)/PA6/HV(粘結(jié)層)/EVA,其阻隔層PA6厚度為70m， 當(dāng)采用5m厚的EVOH材料替代時(shí)，其阻隔氧氣的能力基本相同。雖然EVOH的價(jià)格比PA6貴很多，但是在功能不變的前提下，EVOH材料的消耗遠(yuǎn)低于PA6，材料的綜合成本就得到降低。 多層共擠復(fù)合薄膜在國內(nèi)的包裝上已經(jīng)用的相當(dāng)廣泛，但是用于多層復(fù)合膜成型的先進(jìn)多層共擠出吹膜設(shè)備大多依賴進(jìn)口或者合資公司的設(shè)備。多層共擠吹膜設(shè)備的核心技術(shù)掌握在國外的幾個(gè)公司如Battenfeld、Gloucester、Dabisstandard、W&H、Be等。國內(nèi)的多層共擠吹膜設(shè)備在很大程度上落后于國外設(shè)備。主要表現(xiàn)在產(chǎn)量不高，薄膜的厚薄均勻性差。盡管多層共擠設(shè)備非常復(fù)雜，但是真正的核心的部件主要有三個(gè)：螺桿，多層共擠模頭，風(fēng)環(huán)（內(nèi)風(fēng)環(huán)和外風(fēng)環(huán)）。 螺桿 螺桿是多層共擠吹膜設(shè)備的塑化部件，它關(guān)系到設(shè)備的產(chǎn)量、多層復(fù)合薄膜的表觀質(zhì)量塑化和混色效果。國內(nèi)設(shè)備的產(chǎn)量趕不上進(jìn)口設(shè)備一個(gè)主要原因就是螺桿設(shè)計(jì)不好。例如對(duì)于多層薄膜中的支撐層材料，國外設(shè)備的螺桿基本上采用的是分離型螺桿，再在計(jì)量段中間加上一個(gè)混煉元件以保證混煉混色效果。圖1所示為國外公司采用的典型的分離型螺桿。 圖 1: 分離型螺桿分離型螺桿的優(yōu)點(diǎn) 1、螺桿的適應(yīng)性廣。美國XALOY公司稱,他們的通用型螺桿除PVC外，可以加工大多數(shù)塑料。分離型螺桿在熔融段通過Barrier螺紋把螺槽分成了熔體床和固體床,，固體床的寬度和深度逐漸變小，熔體床的寬度和深度逐漸變大，最終變?yōu)橛?jì)量段的寬度和深度。固體床的體積逐漸減小，保證了氣體的排出，這不像單螺紋螺桿需要一定的壓縮比才能排出塑料中的氣體。固體床的深度逐漸變小，熔體越過螺紋進(jìn)入熔體床，未塑化的固體床直接與機(jī)筒接觸，能吸收更多的熱量，同時(shí)固體床受到的剪切也大，越來越多的剪切熱將提供給固體料使其塑，這種塑化好的熔體跑到熔體床。 熔體床的寬度和深度都是變大的，剪切變小，保證了熔體溫度不會(huì)繼續(xù)升高。這樣的過程一直到固體床結(jié)束。這種熔融機(jī)理使分離型螺桿塑化效果好，保持低熔體的溫度，所以它適用多種非熱敏性塑料。 2、產(chǎn)量大。分離型螺桿與傳統(tǒng)的單螺紋三段式螺桿有很大的不同。壓縮比對(duì)于分離型螺桿已經(jīng)沒有多大的意義，它不是象傳統(tǒng)的螺桿通過一定的壓縮比、傳熱和計(jì)量段的剪切來塑化。分離型螺桿的塑化如上面所述是通過固體床的更有效的熱傳遞和強(qiáng)剪切進(jìn)行塑化。計(jì)量段只是計(jì)量和穩(wěn)定擠出的作用。所以計(jì)量段的深度可以設(shè)計(jì)的很深, 保證了高產(chǎn)量。例如Battenfeld公司用于加工聚烯烴的65分離型螺桿，加料段螺槽深度H1為12.62mm，計(jì)量段螺槽H3為9.6mm， 由于加料段與計(jì)量段螺紋導(dǎo)程不同，壓縮比不等于H1/H3(1/3)，計(jì)算得到加料段一個(gè)螺槽體積與計(jì)量段一個(gè)螺槽體積比為1.5126，這種設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)于傳統(tǒng)型的單螺紋螺桿不可能將塑料塑化好。深的加料段和計(jì)量段的深度，保證了高產(chǎn)量，熔融段的正確分離型設(shè)計(jì)保證了塑化質(zhì)量。所以分離型螺桿是產(chǎn)量大，塑化效果好的螺桿。 根據(jù)國外資料報(bào)道，分離型螺桿設(shè)計(jì)的難點(diǎn)有一下幾個(gè)方面：1、副螺陵與機(jī)筒的間隙是變化的，如何設(shè)計(jì)能夠讓熔體一定速度通過到熔體床，這個(gè)速度不能太慢，太慢了使固體床還有熔體，影響了固體料的塑化。2、副螺陵的導(dǎo)程設(shè)計(jì)和固體床深度的變化。固體床的體積是隨著副螺紋導(dǎo)程的變化和固體床深度減小而縮小的。實(shí)際固體料體積與固體床體積相一致, 這是最好的。因?yàn)楣腆w床體積縮小量超過了固體料體積的縮小量，很容易造成卡料；固體床體積大于實(shí)際固體料的體積，固體床內(nèi)有熔體，影響了塑化效率。 由于塑料在螺桿內(nèi)熔融過程太復(fù)雜，涉及的方程和變量太多，還沒有很好的分析軟件。所以現(xiàn)在螺桿的設(shè)計(jì)大部分都是靠經(jīng)驗(yàn)，完全符合塑料的熔融過程的螺桿設(shè)計(jì)是不可能的，因?yàn)樗芰先廴谶^程隨著加工參數(shù)和添加的填充料不同而不同。所以螺桿設(shè)計(jì)在一定范圍內(nèi)符合塑料的熔融過程, 那就是好螺桿。 多層共擠吹膜模頭 多層模頭是多層薄膜的成型部件, 它是整臺(tái)多層共擠吹膜設(shè)備的心臟。多層共擠吹膜模頭按照疊加的方式分，筆者認(rèn)為主要有兩種形式：一種是高度方向疊加；另一種是徑向方向疊加。 高度方向疊加式 平面疊加 這種模頭以加拿大BramptonEngineering公司為代表,如圖2所示。一般采用側(cè)進(jìn)料，熔體以中心軸線對(duì)稱，在每層的疊加面流動(dòng)，而不是傳統(tǒng)的筒狀流動(dòng)。它的優(yōu)點(diǎn)是機(jī)頭層數(shù)可以任意組合，結(jié)構(gòu)簡單，且每層的溫度可以單獨(dú)控制，這樣可以根據(jù)不同的物料的需要單獨(dú)控制每層的溫度，也有效的防止物料的分解。疊加型模頭一層層的疊加，熔體在每層流道中流動(dòng)，層數(shù)的變化不會(huì)影響機(jī)頭內(nèi)外徑的大小。筆者認(rèn)為這種模頭由于流道在平面或斜面上，熔體的壓力無法平衡，使得熔體的密封困難。 圖 2: 疊加吹膜模頭錐形疊加 錐形疊加共擠機(jī)頭的設(shè)計(jì)思路與平面疊加機(jī)頭一樣，只不過采用了錐形模塊單元化結(jié)構(gòu)，每個(gè)單元都由一對(duì)短錐形模塊組成。流道在錐形圓柱面上，基本體強(qiáng)度高于平面疊加機(jī)頭，承受的熔體的壓力更高，密封性更好。錐形疊加共擠機(jī)頭分為兩種, 即上斜疊加型和下斜疊加型。上斜錐形疊加是加拿大Macro公司推出的，主要用于直徑10mm100mm的機(jī)頭。這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是機(jī)頭每層由下到上斜面疊加，每層之間相互吻合，從而不易溢料。熔體從每層機(jī)頭進(jìn)料，一次分流。這種設(shè)計(jì)一般適用于較小尺寸的共擠機(jī)頭。下斜錐形疊加機(jī)頭也是加拿大Macro公司的專利，設(shè)計(jì)特點(diǎn)是每層機(jī)頭由上到下斜面疊加，每層機(jī)頭之間相互吻合，從而不易溢料。熔體從機(jī)頭底部同一平面?zhèn)冗M(jìn)料并流到相應(yīng)機(jī)頭層進(jìn)行一次分流，減少熔體的停滯，機(jī)頭易于清洗。并得到好的厚度分布。另外，同其它機(jī)頭相比，每層的熔體流道數(shù)量不受限制，視直徑不同，每層可以設(shè)計(jì)為16條及以上數(shù)量螺旋流道。 徑向方向疊加式 這種模頭以Battenfeld Gloucester Engineer公司為代表，如圖3所示。圖4是9層共擠模頭機(jī)構(gòu)圖，這種模頭的特點(diǎn)是低中心，模頭的高度不會(huì)隨著層數(shù)的增加而增大。由于熔體的壓力是在流道圓周方向平衡掉，所以密封性能比疊加型機(jī)頭好。缺點(diǎn)是熔體的溫度不能單獨(dú)控制，特別是中間層的溫度。 圖 3: Battenfeld公司低中心模頭無論是疊加型還是螺旋芯棒式的，它的工作原理都是熔融物料從一個(gè)中心進(jìn)料孔進(jìn)入后首先被分成八股或十六股料流，然后物料到達(dá)八頭或十六頭螺紋中各螺槽的起點(diǎn)處，每一股熔融流束又被分成兩股料流在h2所形成的環(huán)形間隙上的軸向料流q2，和在螺旋槽中向前流動(dòng)的螺旋料流，如圖5所示。在擠出方向上，q3越來越少，相反，q2側(cè)越來越多。因此，在螺旋流道的起點(diǎn)和終點(diǎn)之間，存在著一個(gè)由純粹的螺旋流動(dòng)連續(xù)地過渡到純粹地軸向流動(dòng)的過程。結(jié)果，使熔流得到進(jìn)一步充分有效的混合，使熔料在口模圓周方向上的壓力、溫度和速度分布基本達(dá)到均勻一致的目的。于是也就保證了熔體薄膜的均勻厚度。 圖 4: Battenfeld公司9層共擠模頭模頭設(shè)計(jì)的好壞主要取決于如圖6所示的流道參數(shù)，螺旋角，鍥角，螺旋消退角，初始面積A。流道設(shè)計(jì)的理想狀態(tài)是螺旋流q3慢慢轉(zhuǎn)化成軸向料流，剛好在流道結(jié)束的時(shí)候全部轉(zhuǎn)換完畢。下列兩種情況的流道都不是很好：一種情況是螺旋流過早的結(jié)束，即q3在螺旋流道結(jié)束前就沒有了;另一種情況是q3在螺旋流道的末端還沒有完全轉(zhuǎn)換成軸向料流，螺旋流道末端還有螺旋流。這兩種情況都會(huì)使口模處熔體的速度不均勻，從而影響薄膜的厚薄均勻性。國外公司對(duì)于螺旋流道的設(shè)計(jì)，是經(jīng)驗(yàn)加上理論計(jì)算分析，所以他們的模頭設(shè)計(jì)很好。把物料的參數(shù)和產(chǎn)量作為初始條件，算出熔體在模頭內(nèi)的壓力分布，停留時(shí)間，剪切速率，以及最重要的螺旋流道結(jié)束處的速度分布。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)分析流道參數(shù)的合理性，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，修改參數(shù)，代入理論計(jì)算，以得到最好的分析結(jié)果。多層共擠吹塑模頭的設(shè)計(jì)是比較復(fù)雜的，國外公司都有自己的理論計(jì)算方法。 圖 5: 螺旋芯棒參數(shù)風(fēng)環(huán) 風(fēng)環(huán)是多層共擠吹塑薄膜的冷卻成型部件，對(duì)于薄膜的表面質(zhì)量、產(chǎn)量、厚度、薄膜均勻性都有極大的影響。盡管螺桿，模頭設(shè)計(jì)的很好，如果沒有好的風(fēng)環(huán)，膜泡在高產(chǎn)量的情況下也無法冷卻定型。國外的多層共擠吹膜設(shè)備都采用內(nèi)風(fēng)環(huán)和外風(fēng)環(huán)。 內(nèi)風(fēng)環(huán) 內(nèi)風(fēng)環(huán)也叫膜泡內(nèi)部冷卻系統(tǒng)（IBC），如圖6為加拿大BE公司IBC原理簡圖。冷卻的空氣進(jìn)入膜泡內(nèi)部，吸收薄膜內(nèi)表面的熱量，熱的空氣和膜泡的揮發(fā)物通過內(nèi)風(fēng)環(huán)排出，如此循環(huán)從薄膜的內(nèi)表面降低薄膜的溫度?，F(xiàn)在國外的多層共擠吹塑設(shè)備都采用了IBC，IBC能使產(chǎn)量提高30左右。內(nèi)風(fēng)環(huán)除了能提高產(chǎn)量，還有兩個(gè)作用。1、能提高薄膜的光學(xué)性能。內(nèi)冷卻使膜泡的冷卻速度加快，使結(jié)晶減少，同時(shí)通過空氣在內(nèi)部的流通，帶走了膜泡內(nèi)的揮發(fā)物。2、膜泡的穩(wěn)定性大大的提高。這也不僅僅是因?yàn)閮?nèi)冷使膜泡的冷卻速率加快，使冷凝線下的熔體溫度降低，提高了熔體強(qiáng)度，另外一個(gè)主要因素是當(dāng)膜泡內(nèi)冷時(shí)，可以在膜泡的內(nèi)外形成對(duì)流的氣流，可以抵消彼此的沖力。而膜泡不用內(nèi)冷時(shí)，膜泡內(nèi)部氣體是靜止的，只有外部風(fēng)環(huán)出來的氣體是流動(dòng)的，所以不能抵消外部氣流帶來的沖力。 圖 6: 加拿大BE公司IBC原理簡圖外風(fēng)環(huán) 現(xiàn)在的多層共擠吹膜設(shè)備的外風(fēng)環(huán)基本上都是雙唇風(fēng)環(huán)，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。相對(duì)于單唇風(fēng)環(huán)，它的冷卻效率大大的提高，所以可以使多層共擠吹膜設(shè)備的產(chǎn)量提高。一般對(duì)于單唇風(fēng)環(huán)來說，在膜泡外表面形成了一層氣層，靠近膜泡外表面的的溫度高，而這個(gè)氣體層是平行于膜泡向上運(yùn)動(dòng)，所以氣層內(nèi)側(cè)的溫度越來越高，膜泡的冷卻效率會(huì)越來越低。而對(duì)于雙唇風(fēng)環(huán),另一個(gè)風(fēng)唇的氣體會(huì)沖亂第一個(gè)風(fēng)唇的氣體層，使冷卻氣體層產(chǎn)生湍流，膜泡的冷卻效率大大的提高。據(jù)報(bào)道雙唇風(fēng)環(huán)比單唇風(fēng)環(huán)使設(shè)備的產(chǎn)量提高25左右。 圖 7: 雙唇風(fēng)環(huán)為了使風(fēng)環(huán)更好的控制薄膜厚度的均勻性，國外公司的都采用自動(dòng)風(fēng)環(huán)。自動(dòng)風(fēng)環(huán)也是雙唇岡環(huán)，它是薄膜厚度自動(dòng)控制系統(tǒng)的重要組成部分。不用自動(dòng)風(fēng)環(huán)，國外的設(shè)備的薄膜厚薄均勻性也只能作到誤差7左右, 加了自動(dòng)風(fēng)環(huán)后，薄膜厚薄均勻性可以做到誤差4以內(nèi)。自動(dòng)風(fēng)環(huán)結(jié)構(gòu)上采用雙風(fēng)口方式，其中下風(fēng)口風(fēng)量保持恒定，上風(fēng)口圓周上分為若干