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塑料挤出机 |
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国外多层共挤吹塑薄膜关键设备状况 |
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作者：占国荣 周南桥 来源：SpecialChem |
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多层复合薄膜的优点是可以根据需要，把不同性能的材料进行复合，使其具有各种性能。例如为了防止薄膜外层在热封过程中与热封装置相粘连, 薄膜外层应采用熔点较高的材料如LDPE、HDPE、MDPE或PA。对于热封和包装机械来说，它需要被加工的薄膜具有良好的机械加工性能，多层复合膜中采用MDPE或HDPE，可以提高复合膜的强度和坚挺性，确保其有良好的机械加工性能。多层共挤吹塑薄膜为一步工艺制成，不需要许多传统的复合及涂覆等后加工。相应地，复合用的半成品储存及每次复合所进行的反复修边工艺均可省去，使原料费用和生产费用明显降低。薄膜产品所需的一些功能性添加剂，如色母粒、滑爽剂等，仅加入到所需的表层中，而内层无此功能的要求，则不加。在阻隔性多层共挤吹塑薄膜生产中，节省材料费用显得尤为突出。根据市场中不同树脂的价格，通过设计不同的共挤结构，厂家可以选择生产最优化的产品。例如，某一多层共挤复合膜的结构为LDPE/HV(粘结层)/PA6/HV(粘结层)/EVA,其阻隔层PA6厚度为70μm， 当采用5μm厚的EVOH材料替代时，其阻隔氧气的能力基本相同。虽然EVOH的价格比PA6贵很多，但是在功能不变的前提下，EVOH材料的消耗远低于PA6，材料的综合成本就得到降低。
多层共挤复合薄膜在国内的包装上已经用的相当广泛，但是用于多层复合膜成型的先进多层共挤出吹膜设备大多依赖进口或者合资公司的设备。多层共挤吹膜设备的核心技术掌握在国外的几个公司如Battenfeld、Gloucester、Dabisstandard、W&H、Be等。国内的多层共挤吹膜设备在很大程度上落后于国外设备。主要表现在产量不高，薄膜的厚薄均匀性差。尽管多层共挤设备非常复杂，但是真正的核心的部件主要有三个：螺杆，多层共挤模头，风环（内风环和外风环）。
螺杆
螺杆是多层共挤吹膜设备的塑化部件，它关系到设备的产量、多层复合薄膜的表观质量塑化和混色效果。国内设备的产量赶不上进口设备一个主要原因就是螺杆设计不好。例如对于多层薄膜中的支撑层材料，国外设备的螺杆基本上采用的是分离型螺杆，再在计量段中间加上一个混炼元件以保证混炼混色效果。图1所示为国外公司采用的典型的分离型螺杆。
图 1: 分离型螺杆
分离型螺杆的优点
1、螺杆的适应性广。美国XALOY公司称,他们的通用型螺杆除PVC外，可以加工大多数塑料。分离型螺杆在熔融段通过Barrier螺纹把螺槽分成了熔体床和固体床,，固体床的宽度和深度逐渐变小，熔体床的宽度和深度逐渐变大，最终变为计量段的宽度和深度。固体床的体积逐渐减小，保证了气体的排出，这不像单螺纹螺杆需要一定的压缩比才能排出塑料中的气体。固体床的深度逐渐变小，熔体越过螺纹进入熔体床，未塑化的固体床直接与机筒接触，能吸收更多的热量，同时固体床受到的剪切也大，越来越多的剪切热将提供给固体料使其塑，这种塑化好的熔体跑到熔体床。
熔体床的宽度和深度都是变大的，剪切变小，保证了熔体温度不会继续升高。这样的过程一直到固体床结束。这种熔融机理使分离型螺杆塑化效果好，保持低熔体的温度，所以它适用多种非热敏性塑料。
2、产量大。分离型螺杆与传统的单螺纹三段式螺杆有很大的不同。压缩比对于分离型螺杆已经没有多大的意义，它不是象传统的螺杆通过一定的压缩比、传热和计量段的剪切来塑化。分离型螺杆的塑化如上面所述是通过固体床的更有效的热传递和强剪切进行塑化。计量段只是计量和稳定挤出的作用。所以计量段的深度可以设计的很深, 保证了高产量。例如Battenfeld公司用于加工聚烯烃的65分离型螺杆，加料段螺槽深度H1为12.62mm，计量段螺槽H3为9.6mm， 由于加料段与计量段螺纹导程不同，压缩比不等于H1/H3(1/3)，计算得到加料段一个螺槽体积与计量段一个螺槽体积比为1.5126，这种设计参数对于传统型的单螺纹螺杆不可能将塑料塑化好。深的加料段和计量段的深度，保证了高产量，熔融段的正确分离型设计保证了塑化质量。所以分离型螺杆是产量大，塑化效果好的螺杆。
根据国外资料报道，分离型螺杆设计的难点有一下几个方面：1、副螺陵与机筒的间隙是变化的，如何设计能够让熔体一定速度通过到熔体床，这个速度不能太慢，太慢了使固体床还有熔体，影响了固体料的塑化。2、副螺陵的导程设计和固体床深度的变化。固体床的体积是随着副螺纹导程的变化和固体床深度减小而缩小的。实际固体料体积与固体床体积相一致, 这是最好的。因为固体床体积缩小量超过了固体料体积的缩小量，很容易造成卡料；固体床体积大于实际固体料的体积，固体床内有熔体，影响了塑化效率。
由于塑料在螺杆内熔融过程太复杂，涉及的方程和变量太多，还没有很好的分析软件。所以现在螺杆的设计大部分都是靠经验，完全符合塑料的熔融过程的螺杆设计是不可能的，因为塑料熔融过程随着加工参数和添加的填充料不同而不同。所以螺杆设计在一定范围内符合塑料的熔融过程, 那就是好螺杆。
多层共挤吹膜模头
多层模头是多层薄膜的成型部件, 它是整台多层共挤吹膜设备的心脏。多层共挤吹膜模头按照叠加的方式分，笔者认为主要有两种形式：一种是高度方向叠加；另一种是径向方向叠加。
高度方向叠加式
平面叠加
这种模头以加拿大BramptonEngineering公司为代表,如图2所示。一般采用侧进料，熔体以中心轴线对称，在每层的叠加面流动，而不是传统的筒状流动。它的优点是机头层数可以任意组合，结构简单，且每层的温度可以单独控制，这样可以根据不同的物料的需要单独控制每层的温度，也有效的防止物料的分解。叠加型模头一层层的叠加，熔体在每层流道中流动，层数的变化不会影响机头内外径的大小。笔者认为这种模头由于流道在平面或斜面上，熔体的压力无法平衡，使得熔体的密封困难。
图 2: 叠加吹膜模头
锥形叠加
锥形叠加共挤机头的设计思路与平面叠加机头一样，只不过采用了锥形模块单元化结构，每个单元都由一对短锥形模块组成。流道在锥形圆柱面上，基本体强度高于平面叠加机头，承受的熔体的压力更高，密封性更好。锥形叠加共挤机头分为两种, 即上斜叠加型和下斜叠加型。上斜锥形叠加是加拿大Macro公司推出的，主要用于直径10mm～100mm的机头。这种设计的特点是机头每层由下到上斜面叠加，每层之间相互吻合，从而不易溢料。熔体从每层机头进料，一次分流。这种设计一般适用于较小尺寸的共挤机头。下斜锥形叠加机头也是加拿大Macro公司的专利，设计特点是每层机头由上到下斜面叠加，每层机头之间相互吻合，从而不易溢料。熔体从机头底部同一平面侧进料并流到相应机头层进行一次分流，减少熔体的停滞，机头易于清洗。并得到好的厚度分布。另外，同其它机头相比，每层的熔体流道数量不受限制，视直径不同，每层可以设计为16条及以上数量螺旋流道。
径向方向叠加式
这种模头以Battenfeld Gloucester Engineer公司为代表，如图3所示。图4是9层共挤模头机构图，这种模头的特点是低中心，模头的高度不会随着层数的增加而增大。由于熔体的压力是在流道圆周方向平衡掉，所以密封性能比叠加型机头好。缺点是熔体的温度不能单独控制，特别是中间层的温度。
图 3: Battenfeld公司低中心模头
无论是叠加型还是螺旋芯棒式的，它的工作原理都是熔融物料从一个中心进料孔进入后首先被分成八股或十六股料流，然后物料到达八头或十六头螺纹中各螺槽的起点处，每一股熔融流束又被分成两股料流在h2所形成的环形间隙上的轴向料流q2，和在螺旋槽中向前流动的螺旋料流，如图5所示。在挤出方向上，q3越来越少，相反，q2侧越来越多。因此，在螺旋流道的起点和终点之间，存在着一个由纯粹的螺旋流动连续地过渡到纯粹地轴向流动的过程。结果，使熔流得到进一步充分有效的混合，使熔料在口模圆周方向上的压力、温度和速度分布基本达到均匀一致的目的。于是也就保证了熔体薄膜的均匀厚度。
图 4: Battenfeld公司9层共挤模头
模头设计的好坏主要取决于如图6所示的流道参数，螺旋角ф，锲角β，螺旋消退角Ψ，初始面积A。流道设计的理想状态是螺旋流q3慢慢转化成轴向料流，刚好在流道结束的时候全部转换完毕。下列两种情况的流道都不是很好：一种情况是螺旋流过早的结束，即q3在螺旋流道结束前就没有了;另一种情况是q3在螺旋流道的末端还没有完全转换成轴向料流，螺旋流道末端还有螺旋流。这两种情况都会使口模处熔体的速度不均匀，从而影响薄膜的厚薄均匀性。国外公司对于螺旋流道的设计，是经验加上理论计算分析，所以他们的模头设计很好。把物料的参数和产量作为初始条件，算出熔体在模头内的压力分布，停留时间，剪切速率，以及最重要的螺旋流道结束处的速度分布。根据计算的数据分析流道参数的合理性，根据经验，修改参数，代入理论计算，以得到最好的分析结果。多层共挤吹塑模头的设计是比较复杂的，国外公司都有自己的理论计算方法。
图 5: 螺旋芯棒参数
风环
风环是多层共挤吹塑薄膜的冷却成型部件，对于薄膜的表面质量、产量、厚度、薄膜均匀性都有极大的影响。尽管螺杆，模头设计的很好，如果没有好的风环，膜泡在高产量的情况下也无法冷却定型。国外的多层共挤吹膜设备都采用内风环和外风环。
内风环
内风环也叫膜泡内部冷却系统（IBC），如图6为加拿大BE公司IBC原理简图。冷却的空气进入膜泡内部，吸收薄膜内表面的热量，热的空气和膜泡的挥发物通过内风环排出，如此循环从薄膜的内表面降低薄膜的温度。现在国外的多层共挤吹塑设备都采用了IBC，IBC能使产量提高30％左右。内风环除了能提高产量，还有两个作用。1、能提高薄膜的光学性能。内冷却使膜泡的冷却速度加快，使结晶减少，同时通过空气在内部的流通，带走了膜泡内的挥发物。2、膜泡的稳定性大大的提高。这也不仅仅是因为内冷使膜泡的冷却速率加快，使冷凝线下的熔体温度降低，提高了熔体强度，另外一个主要因素是当膜泡内冷时，可以在膜泡的内外形成对流的气流，可以抵消彼此的冲力。而膜泡不用内冷时，膜泡内部气体是静止的，只有外部风环出来的气体是流动的，所以不能抵消外部气流带来的冲力。
图 6: 加拿大BE公司IBC原理简图
外风环
现在的多层共挤吹膜设备的外风环基本上都是双唇风环，其结构如图7所示。相对于单唇风环，它的冷却效率大大的提高，所以可以使多层共挤吹膜设备的产量提高。一般对于单唇风环来说，在膜泡外表面形成了一层气层，靠近膜泡外表面的的温度高，而这个气体层是平行于膜泡向上运动，所以气层内侧的温度越来越高，膜泡的冷却效率会越来越低。而对于双唇风环,另一个风唇的气体会冲乱第一个风唇的气体层，使冷却气体层产生湍流，膜泡的冷却效率大大的提高。据报道双唇风环比单唇风环使设备的产量提高25％左右。
图 7: 双唇风环
为了使风环更好的控制薄膜厚度的均匀性，国外公司的都采用自动风环。自动风环也是双唇冈环，它是薄膜厚度自动控制系统的重要组成部分。不用自动风环，国外的设备的薄膜厚薄均匀性也只能作到误差7％左右, 加了自动风环后，薄膜厚薄均匀性可以做到误差4％以内。自动风环结构上采用双风口方式，其中下风口风量保持恒定，上风口圆周上分为若干个风道，每个风道由风室、阀门、电机等组成，由电机的驱动阀门调整风道开口度，控制每个风道风量的大小。控制过程中，由测厚探头检测到薄膜厚薄信号送到计算机，计算机把厚薄信号与当前设定平均厚度进行比较，根据厚度偏差量以及曲线变化的趋势进行运算，控制电机驱动阀门移动，当薄膜偏厚时，电机正向转动，风口关小；相反，电机反向转动，风口增大。通过改变风环圆周各点风量的大小，调整各点的冷却速度，使薄膜横向厚薄偏差控制在目标范围内。(end)
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(4/8/2008) |
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