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创新薄膜工艺开启革新时代
作者:THORSTEN LEOPOLD    来源:KUNSTSTOFFE INTERNATIONAL杂志
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制袋机, ...
薄膜生产-W&H采用水淬法吹塑薄膜挤出工艺,成功拓展其流延薄膜和吹塑薄膜生产线产品种类,该工艺生产系统可进行独具优势的软包装生产。本文逐一列举了这几种挤出加工工艺,及其各自的特殊性能和相应的适用领域。

根据UN评估报告,到2050年,全球人口将会达到100亿。自然资源的可持续性管理和激增的全球人口所需供给,将会成为未来十年内全球聚焦的重大挑战。在评估报告中,联合国粮食和农业组织(FAO)根据当前的研究指出,引发这种全球性焦虑的原因,究其根源,是因为全球生产食品的三分之一都遭到浪费。在发达国家,这个问题能够从生产过剩和终端消费者食品浪费中看出。而在发展中国家,主要问题则是在从生产商到消费者的加工链中都造成的食物损耗。

有鉴于此,食品包装的改进可为可持续发展添砖加瓦,从而改善这种不良局面。在发展中国家,使用包装能够显著降低食物运送到终端消费者途中的损耗。而在发达国家,食物浪费也能够通过更贴合消费者需求的包装加以克服,例如,满足一人份食用的更小包装单位的趋势。

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软包装

市场上有种类繁多的不同包装,基本原材料是纸、玻璃、金属和塑料。“软包装”是基于塑料薄膜的包装设计,在其多个适用领域都已经证明是最高效的包装解决方案。如图表1所示不同咖啡包装之间的比较,根据这项研究,软包装所消耗的资源远远比金属或者塑料罐要少得多,并且还能同时满足所有规格要求。此外,采用软包装可有效降低整个产品生命周期中的能源消耗和碳排量水平。

生产软包装所必须的包装薄膜,可以采用多种不同的挤塑工艺。下文将逐一阐述现有的流延薄膜、传统吹塑薄膜和水淬吹塑薄膜挤出生产工艺。

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流延膜工艺

流延膜工艺一般是用来生产诸如阻隔层、伸展层、CPP、保护层和卫生薄膜等。通常是各种材料分别在几台挤出机内熔融,产生的熔流在共挤出给料机中汇聚在一起(见图2)。薄膜口模随后会限定多层熔流的必要有效宽度。模具中的熔流会被机器移开并进行裁切,通过与冷却辊接触而固化。在厚度分布测量和可选择电晕预处理之后,薄膜会在收卷机内被卷成卷。

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德国伦格里希Windmöller & Hölscher有限公司(W&H)出品的Filmex流延膜生产线能够生产多达11层、净宽4000mm、厚度可从8至300μm的薄膜,可满足不同使用需求。有了被称为纳米层给料机技术,薄膜层数甚至能够增加至超过30层,从而可以达到特有的薄膜性能。冷却辊可帮助熔流达到良好的冷却状态,产量从而可以高达3,000 kg/h。不止如此,通过精确界定熔体与冷却辊的接触,以及口模间隙的控制,还可实现极小的整体薄膜厚度偏差。此外,工艺采用的定宽系统,薄膜宽度可以简易便捷地根据客户要求进行调整。为进一步提升生产加工的整体效率,加工产生的边缘修剪可以返回。通过额外的边缘封装,均质材料能够被引到模具的外侧,这便显著提升了可回收边缘修剪的比例,即便是在使用非均质薄膜结构(例如阻隔薄膜)的情况下也可实现。

吹塑薄膜工艺

与流延膜生产线相似,多台挤出机可提供不同熔体进行吹塑薄膜加工(见图3)。这些熔流随后供应给模头,并在此转变成为多层环状流。为了充分实现这一目的,独立熔流在彼此分隔的螺旋轴系统中被定型成为环状流,且只有在此才跟其他熔体层混合在一起。从模具间隙成型后,塑料熔流通常会在垂直方向上牵引,通过截断工序。熔体管进行气压进行吹胀,同时空气会冷却熔体管的内部和外部。这时熔体管被平放并开始收卷。收卷机既能作为管状薄膜的单向收卷机,也能作为两侧切断平面薄膜的双向收卷机。

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使用W&H出品的各种规格吹塑薄膜生产线,可生产1到9层的薄膜,满足传统厚度范围从8到250μm。根据用途的不同,产量也有不同程度的提高,最高可达1,500 kg/h。这些生产系统能够适用于宽度3600mm,相当于圆周7200mm的管状薄膜。由于螺旋轴系统可实现良好的熔体分布,且独立熔流在后续工序中汇合在模头,吹塑薄膜工艺可实现极小的单层厚度偏差。此外,由于模头的层压设计,不同层的比率能够允许在一个很宽的范围内变化。吹塑薄膜工艺的一个主要特点是薄膜材料的双轴取向,这是由于同时进行截断与吹胀工序形成的。因此,生产出的薄膜具有在机械和横向方面均衡的机械性能。不止如此,该工艺还允许调整薄膜宽度,通过根据需求调整吹胀比便可实现。通过切开薄膜管在两个折叠边缘而产生的平面薄膜,也不会出现边缘切割浪费。

吹塑薄膜工艺可用于生产种类繁多的薄膜,适用于多种用途,例如,包装、工业、农业和个人卫生用途。

水淬吹塑薄膜工艺

W&H采用Aquarex技术,使用水淬吹塑薄膜挤出生产线,成功扩展其产品组合。与传统的吹塑薄膜生产截然不同的是,在该工艺中,薄膜管是垂直向下挤出(见图4),冷却介质采用的不是空气,而是水。

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在吹塑薄膜生产线上,各种不同的原材料是在挤出机中混合,并且在模头转化为多层环形熔流。模具端头的熔流管被垂直向下移除,并且同时由内压充气。水水计量单元这时以一个预先控制的比率来引入水流道薄膜膜泡上。由于水流的高冷却性能,塑料熔体迅速被冷却下来同时进行测量。薄膜管随后被平放、移除、运送到单向或双向收卷机。整个生产线使用的是标准吹塑薄膜系统Varex的尝试且测试过的机械组件,例如挤出机、模头、自动化系统和收卷机。

该工艺可生产最多可达9层,有效宽度达1600mm,厚度范围从30到300 μm的薄膜。创新冷却设计帮助实现了高生产率,同时还保持相对较低的生产线整体高度。而这项技术最显赫的成绩却不止于此,因其可实现熔体的瞬时冷却,其塑料薄膜产品涵盖丰富的薄膜特性。关于水淬吹塑薄膜挤出生产的薄膜性能和相应的适用领域会在下文进行细节性探讨。

冷却率决定薄膜性能

上述薄膜生产工艺采用不同的冷却设计,因而具有不同的冷却率(见图5)。传统吹塑薄膜工艺中,塑料熔流使用冷空气对流冷却;流延薄膜工艺中,熔流与冷却辊接触而实现冷却,同时冷却率也更高。水淬吹塑薄膜工艺采用水作为冷却介质,实现了较之前两者更高的冷却率,并且塑料熔体在水中瞬时凝固,有效防止了结晶结构的出现,实现了较大程度的非结晶分子结构以及卓越性能的弹性薄膜。且由于低结晶度,水淬吹塑薄膜工艺生产的薄膜具有卓越的密封和热压成型性能,同时也以高光滑度、低雾度和高透明度著称。

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大量的研究也聚焦在水淬吹塑工艺对薄膜产品的机械和光学性能影响方面,薄膜的可加工性也被加以量化。关注焦点是典型使用的食物包装表层和基底薄膜。挤塑工艺生产的七层非均质阻隔薄膜,厚度分别为100和230μm,用以演示,随后加以分析。图表6展示了已确定的雾度值比较。从图表中可以看出,与传统吹塑薄膜工艺相比,使用挤塑薄膜工艺和水淬吹塑薄膜挤出工艺可实现相对较低的雾度值。对于较薄的表层薄膜,这两种工艺呈现相近的雾度值;但对于较厚的基底薄膜,水淬吹塑薄膜工艺的优势则因其瞬时冷却设计而凸显出来。

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水淬吹塑薄膜的适用用途

上述Aquarex工艺生产的薄膜所具有的众多特性,实现了丰富多样的创新适用用途。

非常典型的用途是包装适用的阻隔薄膜,该薄膜具备卓越的光学特性,其出众的热压成型特性对于包装行业来讲,也是极具吸引力的。由于塑料熔体采用萃取技术,从而能够生产出没有卷曲现象的非均质阻隔薄膜,这点的实现对于包装用途而言是极其重要的。

Aquarex薄膜产品所具有的特殊性能,也使其能够在某些适用领域替代PVC的使用。PVC如今正因其可塑剂成分的存在而陷入指摘。而水淬吹塑薄膜工艺可生产出聚烯烃薄膜,与相应的PVC薄膜相比,其卓越性能有过之而无不及。

该创新薄膜产品的巨大替代潜能还体现在医疗领域,用来生产医疗液体和制药产品的包装,例如输液袋和透析袋(见卷首图)。医疗用途的产品更要求高品质弹性薄膜具有卓越的光学和机械性能,以及完美的密封性能。水淬聚烯烃薄膜因不含可塑剂,而在与传统PVC薄膜在医疗适用领域的PK中完胜。同时,因为水淬聚烯烃薄膜具有良好的机械性能以及升级加强的阻隔效果,薄膜厚度得以减少,制药包装生产中的原材料消耗也随之降低达50%。

事实上,上述水淬吹塑薄膜作为软包装阻隔薄膜、PVC薄膜替代品,以及医疗包装薄膜的适用用途,对于这项突破创新技术的潜能而言,还只是冰山一角。

结语

本文所列举的流延薄膜、传统吹塑和水淬吹塑薄膜的生产工艺因其不同的加工技术,各自具有特定优势与劣势。要从经济和环保方面均衡评估对比综合优势,就必须针对每种工艺进行单独探讨分析,这也要考虑进多方面因素,例如原材料成本、规模产量、市场需求和薄膜产品组合。W&H在这三种工艺生产领域均具有多年丰富经验,以及被公认的专业权威性,能够充分考虑专项适用用途的需要,给出最适合的专业建议。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2012-12-22)
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