國外多層共擠吹塑薄膜關鍵設備狀況.doc

國外多層共擠吹塑薄膜關鍵設備狀況 多層復合薄膜的優(yōu)點是可以根據(jù)需要，把不同性能的材料進行復合，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, 薄膜外層應采用熔點較高的材料如LDPE、HDPE、MDPE或PA。對于熱封和包裝機械來說，它需要被加工的薄膜具有良好的機械加工性能，多層復合膜中采用MDPE或HDPE，可以提高復合膜的強度和堅挺性，確保其有良好的機械加工性能。多層共擠吹塑薄膜為一步工藝制成，不需要許多傳統(tǒng)的復合及涂覆等后加工。相應地，復合用的半成品儲存及每次復合所進行的反復修邊工藝均可省去，使原料費用和生產(chǎn)費用明顯降低。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)省材料費用顯得尤為突出。根據(jù)市場中不同樹脂的價格，通過設計不同的共擠結構，廠家可以選擇生產(chǎn)最優(yōu)化的產(chǎn)品。例如，某一多層共擠復合膜的結構為LDPE/HV(粘結層)/PA6/HV(粘結層)/EVA,其阻隔層PA6厚度為70m， 當采用5m厚的EVOH材料替代時，其阻隔氧氣的能力基本相同。雖然EVOH的價格比PA6貴很多，但是在功能不變的前提下，EVOH材料的消耗遠低于PA6，材料的綜合成本就得到降低。 多層共擠復合薄膜在國內(nèi)的包裝上已經(jīng)用的相當廣泛，但是用于多層復合膜成型的先進多層共擠出吹膜設備大多依賴進口或者合資公司的設備。多層共擠吹膜設備的核心技術掌握在國外的幾個公司如Battenfeld、Gloucester、Dabisstandard、W&H、Be等。國內(nèi)的多層共擠吹膜設備在很大程度上落后于國外設備。主要表現(xiàn)在產(chǎn)量不高，薄膜的厚薄均勻性差。盡管多層共擠設備非常復雜，但是真正的核心的部件主要有三個：螺桿，多層共擠模頭，風環(huán)（內(nèi)風環(huán)和外風環(huán)）。 螺桿 螺桿是多層共擠吹膜設備的塑化部件，它關系到設備的產(chǎn)量、多層復合薄膜的表觀質(zhì)量塑化和混色效果。國內(nèi)設備的產(chǎn)量趕不上進口設備一個主要原因就是螺桿設計不好。例如對于多層薄膜中的支撐層材料，國外設備的螺桿基本上采用的是分離型螺桿，再在計量段中間加上一個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 1、螺桿的適應性廣。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)橛嬃慷蔚膶挾群蜕疃取９腆w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，熔體越過螺紋進入熔體床，未塑化的固體床直接與機筒接觸，能吸收更多的熱量，同時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繼續(xù)升高。這樣的過程一直到固體床結束。這種熔融機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剪切進行塑化。計量段只是計量和穩(wěn)定擠出的作用。所以計量段的深度可以設計的很深, 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，計量段螺槽H3為9.6mm， 由于加料段與計量段螺紋導程不同，壓縮比不等于H1/H3(1/3)，計算得到加料段一個螺槽體積與計量段一個螺槽體積比為1.5126，這種設計參數(shù)對于傳統(tǒng)型的單螺紋螺桿不可能將塑料塑化好。深的加料段和計量段的深度，保證了高產(chǎn)量，熔融段的正確分離型設計保證了塑化質(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)國外資料報道，分離型螺桿設計的難點有一下幾個方面：1、副螺陵與機筒的間隙是變化的，如何設計能夠讓熔體一定速度通過到熔體床，這個速度不能太慢，太慢了使固體床還有熔體，影響了固體料的塑化。2、副螺陵的導程設計和固體床深度的變化。固體床的體積是隨著副螺紋導程的變化和固體床深度減小而縮小的。實際固體料體積與固體床體積相一致, 這是最好的。因為固體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)在螺桿的設計大部分都是靠經(jīng)驗，完全符合塑料的熔融過程的螺桿設計是不可能的，因為塑料熔融過程隨著加工參數(shù)和添加的填充料不同而不同。所以螺桿設計在一定范圍內(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, 它是整臺多層共擠吹膜設備的心臟。多層共擠吹膜模頭按照疊加的方式分，筆者認為主要有兩種形式：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)進料，熔體以中心軸線對稱，在每層的疊加面流動，而不是傳統(tǒng)的筒狀流動。它的優(yōu)點是機頭層數(shù)可以任意組合，結構簡單，且每層的溫度可以單獨控制，這樣可以根據(jù)不同的物料的需要單獨控制每層的溫度，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，層數(shù)的變化不會影響機頭內(nèi)外徑的大小。筆者認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 錐形疊加共擠機頭的設計思路與平面疊加機頭一樣，只不過采用了錐形模塊單元化結構，每個單元都由一對短錐形模塊組成。流道在錐形圓柱面上，基本體強度高于平面疊加機頭，承受的熔體的壓力更高，密封性更好。錐形疊加共擠機頭分為兩種, 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的機頭。這種設計的特點是機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。熔體從每層機頭進料，一次分流。這種設計一般適用于較小尺寸的共擠機頭。下斜錐形疊加機頭也是加拿大Macro公司的專利，設計特點是每層機頭由上到下斜面疊加，每層機頭之間相互吻合，從而不易溢料。熔體從機頭底部同一平面?zhèn)冗M料并流到相應機頭層進行一次分流，減少熔體的停滯，機頭易于清洗。并得到好的厚度分布。另外，同其它機頭相比，每層的熔體流道數(shù)量不受限制，視直徑不同，每層可以設計為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層共擠模頭機構圖，這種模頭的特點是低中心，模頭的高度不會隨著層數(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頭好。缺點是熔體的溫度不能單獨控制，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中心進料孔進入后首先被分成八股或十六股料流，然后物料到達八頭或十六頭螺紋中各螺槽的起點處，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，在螺旋流道的起點和終點之間，存在著一個由純粹的螺旋流動連續(xù)地過渡到純粹地軸向流動的過程。結果，使熔流得到進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層共擠模頭模頭設計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。流道設計的理想狀態(tài)是螺旋流q3慢慢轉(zhuǎn)化成軸向料流，剛好在流道結束的時候全部轉(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束，即q3在螺旋流道結束前就沒有了;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。國外公司對于螺旋流道的設計，是經(jīng)驗加上理論計算分析，所以他們的模頭設計很好。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，停留時間，剪切速率，以及最重要的螺旋流道結束處的速度分布。根據(jù)計算的數(shù)據(jù)分析流道參數(shù)的合理性，根據(jù)經(jīng)驗，修改參數(shù)，代入理論計算，以得到最好的分析結果。多層共擠吹塑模頭的設計是比較復雜的，國外公司都有自己的理論計算方法。 圖 5: 螺旋芯棒參數(shù)風環(huán) 風環(huán)是多層共擠吹塑薄膜的冷卻成型部件，對于薄膜的表面質(zhì)量、產(chǎn)量、厚度、薄膜均勻性都有極大的影響。盡管螺桿，模頭設計的很好，如果沒有好的風環(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備都采用內(nèi)風環(huán)和外風環(huán)。 內(nèi)風環(huán) 內(nèi)風環(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)風環(huán)排出，如此循環(huán)從薄膜的內(nèi)表面降低薄膜的溫度。現(xiàn)在國外的多層共擠吹塑設備都采用了IBC，IBC能使產(chǎn)量提高30左右。內(nèi)風環(huán)除了能提高產(chǎn)量，還有兩個作用。1、能提高薄膜的光學性能。內(nèi)冷卻使膜泡的冷卻速度加快，使結晶減少，同時通過空氣在內(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。這也不僅僅是因為內(nèi)冷使膜泡的冷卻速率加快，使冷凝線下的熔體溫度降低，提高了熔體強度，另外一個主要因素是當膜泡內(nèi)冷時，可以在膜泡的內(nèi)外形成對流的氣流，可以抵消彼此的沖力。而膜泡不用內(nèi)冷時，膜泡內(nèi)部氣體是靜止的，只有外部風環(huán)出來的氣體是流動的，所以不能抵消外部氣流帶來的沖力。 圖 6: 加拿大BE公司IBC原理簡圖外風環(huán) 現(xiàn)在的多層共擠吹膜設備的外風環(huán)基本上都是雙唇風環(huán)，其結構如圖7所示。相對于單唇風環(huán)，它的冷卻效率大大的提高，所以可以使多層共擠吹膜設備的產(chǎn)量提高。一般對于單唇風環(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，而這個氣體層是平行于膜泡向上運動，所以氣層內(nèi)側(cè)的溫度越來越高，膜泡的冷卻效率會越來越低。而對于雙唇風環(huán),另一個風唇的氣體會沖亂第一個風唇的氣體層，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)報道雙唇風環(huán)比單唇風環(huán)使設備的產(chǎn)量提高25左右。 圖 7: 雙唇風環(huán)為了使風環(huán)更好的控制薄膜厚度的均勻性，國外公司的都采用自動風環(huán)。自動風環(huán)也是雙唇岡環(huán)，它是薄膜厚度自動控制系統(tǒng)的重要組成部分。不用自動風環(huán)，國外的設備的薄膜厚薄均勻性也只能作到誤差7左右, 加了自動風環(huán)后，薄膜厚薄均勻性可以做到誤差4以內(nèi)。自動風環(huán)結構上采用雙風口方式，其中下風口風量保持恒定，上風口圓周上分為若干