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速冷技术带来新包装解决方案
作者:Lennart
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制袋机, ...
薄膜挤出 - 吹塑薄膜挤出生产中采用水冷技术,能够有效提高冷却率,生产的薄膜产品柔软而富有弹性,呈近无结晶分子结构。在非对称多层薄膜结构的进一步加工中,上述方法生产的薄膜可明显降低卷曲现象的产生,这也成为该薄膜无可比拟的优势。

包装行业激烈竞争的压力对原材料和设备制造商不断提出越来越高的要求,促使其开发更具可持续性的包装解决方案。在柔性包装领域,包装袋呈现强劲增长趋势,并不断向新的适用领域扩张,其优势在于可降低包装重量,从而带来更加低廉的生产和物流成本。

水冷吹塑薄膜挤出

目前,生产柔性包装解决方案所用的薄膜往往采用吹塑薄膜挤出和流延膜挤出这样的传统工艺。传统吹塑薄膜挤出对塑料熔体冷却时采用对流冷却,冷却速率为20到80 K/m,相对较低,流延膜挤出则采用冷却滚筒的接触式冷却,冷却率相比之下可高出约10倍。而采用最新水冷吹塑薄膜挤出,冷却速率可高达1,000到3,000 K/m。采用该技术生产的薄膜具备众多出色的性能,可为柔性包装生产带来可观利润。因其快速的冷却方式可有效抑制结晶现象的发生,从而使得生产出的薄膜具有近无结晶分子结构,该结构使其柔软且耐刺穿,同时,也提升了薄膜成品的表面光泽度和高透明度。不止如此,薄膜还非常适合热成型。

位于德国伦格里希的Windmöller & Hölscher有限责任公司,其旗下Aquarex薄膜的生产采用水冷吹塑薄膜挤出技术,膜管垂直向下挤出(见图1)。在传统吹塑薄膜生产线中,不同材质在不同挤出机中进行塑化,并结合成为多层环形间隙流体。熔体管被向下拉出脱模,同时由内部压力进行吹制。可控制的水流口径测量器随后引导水流流经膜泡,从而迅速冷却熔化的塑料。膜管平放拉出,随后可按要求进行热定型,或者传送到单或双收卷机。通常的生产中,Windmöller & Hölscher的整个传统模块吹塑薄膜生产线Varex II包含生产组件如挤出机、模具、自动化系统和收卷机全部在运行。所生产的薄膜产品层数可多达11层,加工宽度达1,600 mm,厚度范围从30到300 μm。创新型冷却设计可带来高产出,同时将生产线整体保持在较低的高度。

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输液袋

水冷吹塑薄膜的典型用途之一是医疗溶剂灌装袋,也就是常说的输液袋(见图2)。这一用途类型的包装需要达到非常高的光学和机械要求。通常采用的原材料是改性PP,特别是专为医疗用途而设计的改性PP。由于薄膜需要直接接触输液溶剂,因而必须达到严格的要求,必须保证材料无菌,生产设施环境卫生,从而保障薄膜不会接触到有害物质颗粒。通过在膜泡中充入净化空气,可相对简易地制造出密封空间,同时保证其洁净度,随后再构成输液袋的内部。在收尾工序的放平环节,空气从两层薄膜之间彻底抽除,从而防止污染。速冷技术使得PP材质的薄膜在柔软程度上可匹敌PVC薄膜。输液袋必须坚固耐用,从1m高度反复垂直落地都保持完好无泄漏方可合格。水冷吹塑薄膜所具备的出色可黏合性与高耐刺穿性能的结合,也极大推动其在医疗领域的发展。同时薄膜必须足够柔软,从而确保良好的质感与易排空性能。上述所有要求,采用水冷吹塑薄膜挤出所生产的薄膜均可满足。

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成型-充填-封口包装

输液袋代表了一种特殊形状的包装,这一类型的包装采用成型-充填-封口工艺(FFS)生产。除了医疗技术,这种包装也应用于工业和食品包装行业(见图3)。自立袋、边围袋,和枕型包如今都被广泛应用。根据充填设备的设计不同,水平和垂直系统会有显著差异。薄膜可以以管的形式给料,或者起初固定在管的水平滚轴上。包装袋通过横向胶接随后成型。薄膜除了机械稳固性和光学性能,其可密封性和密封接缝周围部分的强度,也是至关重要的。

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上述包装袋产品主要适用于所有易流动的和自重流动的物品包装,已广泛应用于食品产业。例如在亚洲国家,牛奶通常采用特定枕型包来包装。在中东,这种包装主要用来包装食用油、酥油(清黄油)、大米、坚果和果脯。如需包装的是易腐食品,或者包装品要求更长的保质期,就需要采用多层阻隔薄膜来包装,其标志是具有特殊功能层,可减少水分、气体和气味的渗透。通常来说,这种薄膜具有对称结构,往往有5、7、9或11层,PA和EVOH功能层会对称地排列在结构的中间(见图4)。又因为这些材料与PE不相容,因此必须使用粘结层来保障中间层的充分黏合。PE外层需要具备良好的适印性及高表面光泽。同时,为生产枕型包而选择的薄膜,必须具备良好的可密封性。

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非对称多层薄膜

无论在哪里使用对称结构薄膜,都需要面对密封环节的挑战。一方面,需要确定加工点,从而形成稳固的密封接缝;另一方面,薄膜的边与密封接缝相连,因为不可过热,否则会粘连到密封接缝上,那样便会产生污点,进而要么关闭充填设备来清除污点,要么替换密封接缝。为了避免粘连,薄膜表面与密封接缝相连的部分需要采用具有热稳定性的材质,例如PA。通过再层压一层薄膜,可以实现上述要求,但是每一道额外工序自然都会产生相应的额外成本。非对称薄膜结构成为可替代选择,该薄膜通过共挤出生产,热稳定性更高的材质排列在多层薄膜的外层(见图4)。这一工艺可避免额外层压步骤,从而降低薄膜整体生产成本。在上述两种情况中,高温可缩短FFS设备和生产周期的密封时间。

采用传统吹塑薄膜挤出的加工完成时,PA和PE熔化温度的显著差异会造成缺陷(见图5)。在由PA和PE构成的三层结构中,PA层在管的内壁,会在脱模之后非常迅速地转变为固态。PA在其霜线凝固时,而PE仍然呈熔化状态,因此能够通过弹性变形来补偿PA的体积收缩。在PE的霜线区域,PA已经凝固,便无法再通过弹性变形来补偿PE的收缩。这时薄膜会极易卷起,这一现象被称为卷曲。这样的卷曲对于进一步FFS加工而言是严重缺陷,会使得薄膜在FFS设备中的处理复杂化,从而拖慢了加工的步调。当熔体的一侧在流延膜挤出生产线冷却辊上进行冷却时,虽然卷曲程度有所减轻,但仍无法避免。在水冷吹塑薄膜挤出的情况里,卷曲现象则几乎不会出现。这得益于通过与冷水接触而获得的加强而迅速的熔体冷却,PA和PE的霜线在某种程度上处于同一水平,这样便不会发生卷曲(见图6)。从而消除了对进一步加工的不良影响。

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产品开发被油品包装所展示

因为结构改变了薄膜的机械特性,传统吹塑薄膜组分配方不能够直接适用于采用水冷技术生产的产品。Windmöller & Hölscher进行了整体产品升级,从成品包装解决方案的组分配方到认证,从而更好地匹配水冷技术。公司与印度最大的食用油制造商联合开发用于食用油的枕型包产品(见图7)。这种食用油进行灌装时采用垂直FFS方法,使用洁净的3层PE薄膜。因为食用油会通过PE渗透,因而包装袋摆放在超市的货架上,很快会变得湿润。使用PA外层的非对称复合结构,能够从两方面有效改进这种情况。一方面,PA的阻隔效果可显著减少油液渗漏;另一方面,灌装密封工序能够提速,因为PA具有高热稳定性,同时生产周期得以缩短。目前这种薄膜采用层压一层二轴定向PA薄膜在PE薄膜之上的方法,生产成本较高。

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如果开发出采用水冷吹塑薄膜挤出生产PA在外层的非对称薄膜,便可成为完美的包装解决方案,不仅拥有上述所有利于进一步加工的特性,还拥有经济角度考量的优势。不止如此,这样的薄膜与市面上目前采用的标准薄膜相比,具有更明亮的表面光泽和更佳的透明度。因为PA外层的特性,灌装生产周期得以缩短,从每分钟完成周期约30次增加到40次,符合设备的机械产能。同时密封接缝使用寿命也显著提高,从而也附加提升了整体加工的经济性。

这种新型包装有利可图的优势还在于满足油液包装“印度标准”的认证。该标准允许枕型袋包装以普通装箱并火车运输在印度境内高速公路上超过2,000 km。随后得到在航包装损坏统计,据油液制造商所述,运输到达后并无任何包装破损,这是前所未有的。上述开发改良的包装解决方案,无须额外层压工序,提升了灌装经济性,为货物提供了牢固可靠的保护。

结语

如今市场对包装解决方案所提出的要求日益增加,迫使制造商持续改进现有原材料和生产工艺。使用水冷吹塑薄膜挤出生产的薄膜具有众多出色的特性,显著差异于吹塑和流延膜挤出产品。该工艺以水迅速制冷熔体,从而使得薄膜具有无结晶分子结构,柔软而有弹性,兼具良好的可黏合性。其低卷曲率趋势更是在非对称结构多层复合薄膜进一步加工中,凸显出无可比拟的优势。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (7/10/2014)
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