9层共挤吹塑薄膜的最新进展

作者：陈亚凯 李静    来源：PT现代塑料

欢迎访问e展厅 展厅 4 吹膜机展厅 制袋机, ... 自从8年前9层共挤吹塑薄膜问世以来，至今仍只有极少数厂家掌握其独特的生产工艺。最近，有几家设备制造供应商正在安装实验性生产设备，探讨其实用性加工工艺，以帮助更多的加工厂商了解并投入到这种产品的业务领域。 要掌握9层共挤吹塑薄膜的生产工艺是一件极其困难的事情。“我们花了2年时间，才弄清楚运转9层吹膜生产线的技术要领，这几乎与加工流延薄膜一样的困难。”以色列 Plas-topil Hazorea包装公司的产品开发项目经理Steve Arnautoff表示。这家公司于2001 年实现从加工5层吹塑薄膜跨越到加工9层吹塑薄膜的技术升级。“我们花费了很长时间才搞清楚9 层吹塑薄膜工艺的流变学原理，物料的流变行为在某种程度上介于吹塑与流延工艺之间。”解决了这些问题以后，该公司于2003年又装配了第2条9层吹塑薄膜生产线。 根据一家从事9层共挤吹塑薄膜和流延薄膜加工业务的美国大型包装公司的成功经验：流延薄膜的生产经验有助于尽快掌握9层吹塑薄膜的工艺技术。该公司技术主管表示：“我们的主营业务是流延薄膜，借助流延加工经验，我们更快地掌握了吹塑薄膜的加工工艺。以前我们一直认为，树脂的流变行为在吹塑加工过程中不可能发生质的飞越，即使7层共挤也不能例外。但9层共挤工艺却给你一个意想不到的事实：更多层的共挤吹塑加工实际上可简化产品的开发研究工作。” 如有可能，9层吹塑薄膜的加工厂商更多是在争抢层压薄膜和金属化薄膜的市场份额，而不是在从事吹塑加工的同行之间展开竞争。少数几家加工9层薄膜的包装品龙头企业，其出品的大部分9层薄膜都在工厂内部使用，应用于加工层合薄膜产品。小规模塑料制品加工厂出品的9层薄膜则直接向市场出售，由另外的塑料制品加工厂商购入后，用于加工层合薄膜，或制成塑料袋子或衬里。目前，9层薄膜已在众多应用领域广泛用作高阻隔性产品，但已取得市场成功的9层吹塑薄膜生产厂商依然保持低调，这是基于他们不想市场上出现更多的竞争对手。 1、进入9层薄膜加工领域的先驱 在20世纪90年代末，少数几家吹膜挤出机的制造商—大部分是基于7层共挤复合膜生产线的成功商业化经验—最先推出了9层共挤阻隔薄膜生产线。第一个成功制造的是新西兰Holmes包装公司（现在是希悦尔密封空气公司的子公司）。1997年，Holmes公司安装了一个由美国Brampton工程公司制造的9层吹膜模头，1998年该公司在全球市场试销用9层阻隔袋包装的奶粉，次年，该公司又安装了另一条Brampton公司的9层薄膜生产线。 巴顿菲尔格罗斯特工程公司（Battenfeld Gloucester Engineering）于1998年7月售出了该公司的第一层吹塑模头，买方是新西兰Transpack工业公司（现作为Amcor Flexibles公司的子公司），这个9层吹塑模头的直径为10英寸（25.4cm）。 9层复合膜的生产经验为厂家加工更复杂的复合膜叩开了成功之门。2000年，Brampton公司利用船运，向亚洲出售了一套10层吹塑模头，还有2套模头销往欧洲。最近的一次是在2004年为芬兰Wipak公司（美国Winpak公司的母公司）安装了一套。某家用户介绍说，采用10层复合薄膜加工技术，可为PET等聚合物材料加工不同结构产品提供更多的机遇。9层和10层吹塑薄膜的市场增长速度，远没有当年从3层复合膜转为5层和7层复合膜的增长速度快：在短短几年之内，就安装了数百条5层和7层吹塑薄膜生产线并投入运营。9层吹塑薄膜的生产工艺不是简单的从7层吹塑薄膜发展来的。此外，还有很多其他办法可获得相同的阻隔效果，包括多层流延薄膜、层合薄膜、金属化薄膜、涂覆薄膜等。 设备制造商也没有匆忙投入到9层复合膜生产线的开发当中。虽然已有德国Windmoeller & Hoelscher公司和意大利Macchi公司正在研制9层吹塑薄膜的模头，但目前还没有欧洲的原始设备制造商能制造出7层以上的吹塑模头。 9层和10层吹膜生产线的安装和运行都很困难，因此这8年来，全世界只有25套设备保持运行，分属不到12家企业。美国最早是在2003年开始运行9层吹塑薄膜生产线，分别是Winpak公司（乔治亚州）、Opti-mum Plastics有限公司（俄亥俄州特拉华）。Optimum有限公司购买的设备系统是：20英寸直径、Brampton出品的9层吹塑叠层模头和9台W&H公司制造的挤出机；Winpak公司安装的是Brampton公司制造的24英寸直径模头、9层共挤吹膜生产线，用该套设备加工的复合薄膜的平面幅宽达到110英寸。 Brampton公司是9层或9层以上复合膜生产线的主要供应商，已经出售了3个10层叠模和13台9层共挤生产线，其中包括世界上最大的一个模头，直径达到31.5英寸。该型号模头于2005年售出，产能达到680kg/h。格罗斯特公司也出售了5个9层复合模头，最大的直径为50.8cm，买方是美国企业。 目前共有4条下吹法的9层吹塑薄膜生产线在运行。2004年，美国戴维斯标准公司为俄国客户提供了这其中的一条生产线，用于加工EVOH/尼龙/LDPE复合的香肠包装膜，该生产线有6台1.5英寸螺杆的挤出机，生产3英寸幅宽的复合薄膜。2003年，Macro工程公司向韩国某家公司提供了一个9层叠模，装配在一条有9台挤出机、双膜泡的生产线上，用于加工PVDC阻隔膜。Brampton公司还制造了2条Aquafrost生产线，这是一种下吹法水冷式生产线，采用的原料是PP/EVOH，其中一条生产线出售给了芬兰Nordpack公司。 Brampton公司和格罗斯特公司都在批量制造实验性规模的9层吹塑生产线，帮助那些有意进入此加工领域的厂家。Brampton公司总裁兼首席执行官Bud Smith认为，9层吹塑薄膜将成为“未来10年市场的主要增长点”。Brampton公司正在装配一条带有14英寸扁平模头和I- flex厚度控制系统的9层吹塑薄膜生产线。格罗斯特公司在一条设有9台挤出机的生产线上，装配了一个16英寸的螺旋芯棒式模头，设计采用新开发的圆形（而不是D型）加料孔给螺线槽供料。新技术加工的圆形加料孔据说可防止物料粘接在模头的壁上。 2、阻隔性软薄膜 采用高阻隔薄膜可延长冷藏食品的货架寿命，例如：肉类、家禽、奶酪、鱼，以及非冰冻类食品，如奶粉、坚果、宠物食品、酒等。除了高阻隔性能外，其柔韧性也是重要的性能—可用于制作大型运输袋和装箱衬袋，乃至带有密封盖的自立式蒸煮软塑料袋。9层吹塑薄膜内的尼龙层很薄，故此薄膜显得相当柔韧，而5层膜和7层膜内由于尼龙阻隔层过厚，导致这些膜显得过于僵硬。 9层吹塑薄膜工艺能提供多种结构组合的薄膜产品，以满足在阻隔性、强度、美观等多方面的要求。例如，用9层薄膜加工制成的蒸煮袋已成为新兴的市场畅销产品，可根据个人需求包装不同容量的食物，还能从沸水里拿出后直接放进冰箱内，反之亦然。9层、10层吹塑薄膜的低温强度还优于流延薄膜和双向拉伸薄膜。一个值得关注的话题是，采用9层吹塑薄膜能够节约昂贵的尼龙材料的使用量，从而降低原料成本。9层吹塑薄膜中，可把作为阻隔层的尼龙层分为若干个薄层，实现了利用更少的尼龙材料达到更佳的阻隔性能、以及更佳的热成型加工性能可使包装制品深度成型的卷角处保留有2层阻隔性材料，阻隔性能相当于5层硬质薄膜，而且消除了应力开裂现象。另外，较薄的尼龙层还可减少5层、7层膜经常发生的薄膜蜷曲现象；此外，9层薄膜内的粘结层也更薄。 几乎所有的9层吹膜加工设备均未实现满负荷运转。例如，Plastopil公司只加工6种不同结构的9层膜，每一台挤出机都加工不同的树脂。大部分时间，Plastopil公司在9层吹膜线上加工5层、6层、7层或8层不同材料的薄膜。虽然这样看起来只是不想让机器闲置，但这样加工出来的薄膜也具有独特的性能优势。 9层共挤吹塑可实现5层、7层共挤吹膜所不可能达到的膜层比例，例如生产含50%PE的薄膜，可在4台并排放置的挤出机上挤出同种PE膜；9层共挤生产线的生产率也比5层、7层共挤生产线的产率高，加工商说这是因为挤出机的尺寸更加均衡合理。9层共挤系统加工的膜厚精度也要比7层膜的高。据Optimum公司介绍，没有装配自动模头修正系统的9层共挤吹膜生产线能够加工膜厚误差在±5%的7层共挤吹塑薄膜，而 7层共挤吹塑生产线在最佳的调控下，也只能加工得到膜厚误差在±6%的相同结构薄膜。事实上，配置有自动膜厚控制系统时，Optimum公司的9层共挤吹膜机组加工的薄膜厚度误差在±1.8%，没有自动膜厚控制系统时，达到±4%。 3、样式各异的模头 大部分的9层共挤吹塑模头是扁平模头或叠层模头，还有一些是螺旋芯棒式模头。它们各具优势和劣势。例如，普通的9层阻隔薄膜中，芯层为三明治结构——尼龙/EVOH/尼龙，粘合在一起并不需要粘结层。Brampton公司制造的扁平模头具有隔热功能，每个物料层可维持在不同的温度：尼龙层的温度控制在450～480℉，对温度敏感的EVOH维持控制在350～400℉。但Gloucester公司出品的螺旋式模头就没有专为每种材料作温度隔离，EVOH与几乎达500℉的金属模头直接接触。这种螺旋模头是通过减小物料的滞留时间来防止易分解物料发生热降解的。 扁平模头的缺点是其流道要比螺旋芯棒模头的流道长，也就是聚合物（例如尼龙和EVOH）熔体汇合在一起，流到模头出口处的距离各不相同。螺旋芯棒式模头的距离是8英寸，而扁平模头的距离最长可达18英寸。 理论上，叠层模头通过改变设计，具备使每一层树脂流动途径不同的灵活性，达到扁平模头的优化效果，但实践中很少有这样做。Gloucester公司的螺旋模头虽然理论上可以调整每层膜的结构，却非常难以操作。万一某家客户决定改变膜层结构，Gloucester公司制造的20英寸模头在交货一年后，即需重新返修和再加工。 一些9层模头仅对2～3层流道做了优化式设计。“以阻隔层作为优化设计对象，放在一个三明治结构模头的中间层，以PE树脂作为粘合层，万一尼龙材料流入了专为LLDPE树脂设计的模头流道，则会遇到流道压力不足和膜厚偏低的问题，”Glouces-te公司产品部的资深经理解释称，“反之亦然——如果让LLDPE走尼龙层的螺旋型流道，则会产生压力偏高和温度偏高等问题。 还有另外一些模头，可让任何一种树脂走任何一层流道。Optimum塑料公司定制了具有最大加工产品适应性的9层共挤吹塑生产线，名为“ex-treme- barrier”，可用于共挤尼龙、EVOH、PP、甚至PET等材料，能让阻隔树脂和粘结树脂走任何一层。Optimum公司利用这套设备，加工5种不同膜层结构的9层薄膜，共约有50种薄膜制品，该公司高级技术主管WilliamWright说：“这条生产线有很多变量，包括尼龙在哪层、膜有多厚、选择10种尼龙树脂中的哪一种等等。” Optimum公司还设计利用很高的夹膜框来冷却尼龙层，配置了振动式牵引装置和灵活性的收卷装置，可加工收卷软质薄膜、拉伸薄膜、挺刮性硬膜。Optimum向Reinhold公司订制了一台收卷机，配备有表面张力控制、中心张力控制、膜厚调节等功能，可以卷取最大直径达到59英寸的大型膜卷。 膜泡内冷却装置（IBC）是提高吹膜产量的常用工具，但有时不能用在9层共挤吹膜生产线上。如果尼龙层接近或紧靠在膜泡的内层，膜泡内冷却装置会导致尼龙的冷却速度过快，使得尼龙层与其他膜层产生分层现象。解决方法是在使用膜泡内冷却装置时，利用压缩空气替代冷空气。如果9层共挤吹塑的膜泡上出现有3～4条霜白线，那么使用膜泡内冷却装置将非常复杂。IBC供应商D.R.Joseph公司的总裁丹尼尔?约瑟夫介绍说，这时应将IBC的传感器安装在9层膜泡上最低霜白线的上端，然后一直监控膜泡直到“透气”结束为止。约瑟夫还说，一般而言，操作运转9层共挤吹塑薄膜生产线需要很高的技巧。“我参观过许多9层共挤吹塑薄膜加工厂，他们几乎都没有足够的开工率，而开工率不足，就不可能保证9层吹膜生产线的长期稳定运行。” 4、试验和错误工艺造成昂贵的代价 开发9层共挤吹膜产品还有一大问题，就是需要探索树脂的流动特性，确保每层树脂粘合在一起。如把较薄的低粘度尼龙层或EVOH层与高粘度的聚烯烃层粘合，往往附着力不够，结合面不稳定，薄膜出现难看的波浪型或“Z”形图案。 Macro工程公司总裁Mirek Planeta说，流程模拟能为9层复合膜产品的设计节省很多时间。Macro工程公司提供了9层PVDC阻隔膜生产线的加工工艺模拟软件（定制于加拿大大略安省米西索加市Bharat咨询公司）。加工厂输入树脂牌号和需要的厚度，软件就会预知可能出现的问题并给出解决方案，例如：如何改变各层的膜厚比例、原材料的熔融指数等。Plastopil公司的Arnautoff说，模拟软件不是万能的，因为实际上9层共挤吹塑的各层材料之间会发生混合，混合树脂的流变数据难以取得。有一些数据必须经过挤出、切割和测试才能获得。 对熔体弹性进行匹配与对熔体粘度进行匹配同等重要。Brampton公司的流变监控部主管Karen Xiao博士说：“2个相邻膜层的树脂伸长率不能相差太大，弹性很好的树脂与弹性很差的树脂粘结后，其界面非常不稳定。” 即使上述因素都圆满解决了，开发新型9层阻隔薄膜制品还存在很多问题，需要花费很大的代价才能解决。这就是为何在没有确定新结构膜制品的市场价值之前，9层共挤薄膜的加工厂都不愿意尝试推出新品薄膜的原因。 5、物料的“特殊”处理 由于9层共挤吹膜生产线要处理30～40种不同的组分，所以操作要非常小心谨慎。通常，其中有2台挤出机的规格稍大一些，用于混合5～6种高份量的聚烯烃合金材料。另外的7台挤出机各设2～4个料斗，分别用于混合阻隔层材料、粘结层材料和热封层树脂。 Optimum塑料公司给生产线的每一台挤出机按顺序编上英文字母，给每个料斗用数字排序。主挤出机编号A，配备5个料斗，相应编为A1、A2、A3、A4、A5，各个料斗与相对应标记的料仓容器或物料输送管道相连接。 加拿大有一条正在运行的9层共挤吹膜生产线，精心设计了物料处理输送系统，其中的第2和第8层设计作为主料层，2台2.5英寸螺杆的主挤出机各配有5个料斗，采用料仓或大装料箱进行供料。其它的7台2英寸螺杆挤出机各配有3个料斗，用于挤出阻隔层树脂或粘结层树脂，通常采用大装料箱进行供料。若需改动树脂配方，则要求非常谨慎。一般说来，只需要简单清理设备甚至不清理，即可改变聚烯烃原料，但改变尼龙、EVOH或离子型聚合物树脂就需非常细心清洁。9个膜层的流道都需进行清理，否则会导致加工操作失败。清洁每一层都要花费半个小时到几个小时的时间，产生大量的边角料。9层共挤吹塑薄膜加工潜在的一个大风险就是若尼龙树脂清除不净，即有可能造成严重的问题。比如从尼龙改变为PE时，因为PE材料的加工温度低，残留的尼龙颗粒不可能熔化，这些尼龙颗粒粘结在流道中堵塞其它聚合物通过，滞留在流道里分解变黑，夹杂在熔体料流中挤出，将在薄膜中形成斑点。如果出现这种情况，清理时间往往需要数天到一个星期。由此可知，调整原料代价高昂，为节约成本，生产商总是精心设计，以便每次需改动生产配方及工艺时，不要调整2～3台以上的挤出机。但这种情况并不是完全杜绝得了的。 降低边角料也是加工厂面临的一大问题，这些生产设备的生产率很高，往往在2到3个小时内即可完成某个特种9层吹膜的加工任务，调整设备加工另一种薄膜制品，则调整设备的时间可能与加工时间相等或更长。有时运行较便宜的全聚烯烃薄膜制品，就能达到清洁整条生产线的目的。(end)

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