苗立榮,張玉霞,薛 平

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.北京工商大學(xué)輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所,北京100048)

多層共擠出塑料薄膜機(jī)頭的結(jié)構(gòu)改進(jìn)與發(fā)展

苗立榮1,張玉霞2＊,薛 平1

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京100029;2.北京工商大學(xué)輕工業(yè)塑料加工應(yīng)用研究所,北京100048)

介紹了多層共擠出塑料薄膜機(jī)頭——多層共擠出流延塑料薄膜機(jī)頭(平膜法)和多層共擠出吹塑塑料薄膜機(jī)頭(管膜法)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)及其最近10年來(lái)的發(fā)展?fàn)顩r。在平膜法機(jī)頭中主要介紹了多流道式機(jī)頭和喂料塊式機(jī)頭及供料塊與多流道組合式狹縫式機(jī)頭;管膜法機(jī)頭中主要介紹了套管式圓柱體多層共擠出機(jī)頭和疊加型圓柱體多層共擠出機(jī)頭。多層共擠出薄膜機(jī)頭的發(fā)展主要體現(xiàn)在機(jī)頭結(jié)構(gòu)上的不斷創(chuàng)新以及物料的適應(yīng)性不斷增強(qiáng)和薄膜層數(shù)的不斷增加等方面。

多層;共擠出;機(jī)頭;塑料薄膜;平膜法;管膜法;多流道式機(jī)頭;喂料塊式機(jī)頭;螺旋芯棒式機(jī)頭;疊加型機(jī)頭

0 前言

隨著食品與工業(yè)品等對(duì)包裝薄膜、糧食生產(chǎn)與蔬菜大棚等對(duì)地膜和棚膜等性能要求的不斷提高,單層塑料薄膜已無(wú)法滿足需要,因此,集多種性能于一身的多層復(fù)合塑料薄膜應(yīng)運(yùn)而生。目前加工多層復(fù)合薄膜的方法主要有濕法復(fù)合、干法復(fù)合、擠出涂覆及共擠出復(fù)合等工藝[1]。其中共擠出復(fù)合是20世紀(jì)60年代開發(fā)出的技術(shù),具有生產(chǎn)成本相對(duì)較低、薄膜層間結(jié)合力強(qiáng)、無(wú)溶劑污染等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,已成為多層復(fù)合薄膜的主要生產(chǎn)方法之一。按擠出工藝和機(jī)頭口模形狀分,共擠出復(fù)合又分為平膜法和管膜法。平膜法用于共擠出流延薄膜,管膜法用于共擠出吹塑薄膜[2]。前者所用機(jī)頭稱為共擠出流延薄膜機(jī)頭,后者所用機(jī)頭稱為共擠出吹塑薄膜機(jī)頭。

機(jī)頭是共擠出設(shè)備中的核心裝置,其結(jié)構(gòu)決定著復(fù)合塑料薄膜的性能。近年來(lái),為了滿足對(duì)薄膜性能不斷提高的要求,多層共擠出流延薄膜機(jī)頭和多層共擠出吹塑薄膜機(jī)頭在結(jié)構(gòu)和共擠出薄膜層數(shù)及物料的適應(yīng)性、薄膜厚度控制精度等方面都有很大發(fā)展。

1 平膜法

共擠出平膜法,即共擠出流延膜法,所用機(jī)頭為狹縫式機(jī)頭,主要有多流道式機(jī)頭和供料塊式機(jī)頭以及二者的組合式,即供料塊與多流道組合式狹縫式機(jī)頭。此法的優(yōu)點(diǎn)是薄膜厚度控制精度較高,厚度誤差較小;容易通過(guò)輥筒對(duì)薄膜進(jìn)行驟冷,制得透明性好的薄膜;生產(chǎn)效率高(線速度大),經(jīng)濟(jì)性好,有利于大批量生產(chǎn)[2]。近年來(lái),在多層共擠出CPP、BOPP等薄膜中得到了廣泛的應(yīng)用,結(jié)構(gòu)也有了很多新的突破。

1.1 多流道式機(jī)頭

共擠出最早于20世紀(jì)50年代出現(xiàn),平膜法最早使用的是多流道式機(jī)頭,它具有和層數(shù)相對(duì)應(yīng)的、與薄膜寬度等長(zhǎng)的槽,通過(guò)各自的槽,熔體流擴(kuò)寬后通過(guò)阻流條控制各層的速度和流量并合流,然后從模唇擠出。如圖1所示,各層在最后出口縫處匯合,因此可以加工不同熔融特性的熔體,而且可以在匯合之前設(shè)定各層想要的厚度以及各層速度,這樣可以維持各層之間流動(dòng)的穩(wěn)定性[1]。

圖1 具有代表性的多流道式機(jī)頭(MM機(jī)頭)Fig.1 Typical manifold die

圖2 可更換模唇的多層復(fù)合共擠出機(jī)頭Fig.2 Manifold dies with exchangeable lips for multi-layer films

圖3 雙層共擠出機(jī)頭Fig.3 Coextrusion dies for two layer films

圖4 模唇可調(diào)并可更換的3層共擠出機(jī)頭Fig.4 Coextrusion dies with adjustable and exchangeable lips for three layer films

賈潤(rùn)禮等[3]介紹了常用的多流道式共擠出機(jī)頭及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要有3層共擠出機(jī)頭(圖1)、可更換模唇的多層復(fù)合共擠出機(jī)頭(圖2)、雙層共擠出機(jī)頭(圖3)、模唇可調(diào)并可更換的3層共擠出機(jī)頭(圖4)等。3層共擠出機(jī)頭僅能調(diào)節(jié)外層,中間層厚度不能調(diào)整,模唇可以有較大的變形量,膜片厚度范圍大。但是由于3層流道間不隔熱,僅適用于3層物料熔點(diǎn)非常接近的膜片的共擠出復(fù)合。而模唇可調(diào)并可更換的3層共擠出機(jī)頭,模唇可調(diào),可換,膜片厚度有一定的適應(yīng)范圍,機(jī)頭可實(shí)現(xiàn)精度較高的3層共擠出膜片的擠出,容許3層物料熔點(diǎn)有一定差異。

近年來(lái),多流道式機(jī)頭薄膜在厚度精度控制上有了比較大的發(fā)展。同時(shí),為了滿足高速、高效、高產(chǎn)量、高品質(zhì)以及節(jié)省原材料、降低材料成本等的要求,在機(jī)頭機(jī)構(gòu)上也有創(chuàng)新。

EDI公司是一家專業(yè)的機(jī)頭供應(yīng)商,長(zhǎng)期以來(lái)一直致力于共擠出機(jī)頭的研究[4-6],經(jīng)過(guò)了3年的努力,成功研制了5層多流道式機(jī)頭(圖5),用于生產(chǎn)拉伸薄膜,代替了傳統(tǒng)的5層喂料塊式和單流道式機(jī)頭。機(jī)頭口模比單流道式機(jī)頭要厚,但由于沒(méi)有喂料塊,其占用的整體空間較小,自動(dòng)控制元件比喂料塊式機(jī)頭有著更精確的厚度控制。此外,該機(jī)頭還采用了定型框使得寬度上的尺寸也更加精確,2005年時(shí)該機(jī)頭口模寬度已達(dá)1000～1250 mm。為了更快地更換產(chǎn)品,該公司又開發(fā)出了Contour機(jī)頭(圖6),其傾斜的形狀與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有很大的不同。這種機(jī)頭采用的是衣架式流道,但改變了流道形狀,減輕了料流的不均勻性,在整個(gè)機(jī)頭寬度上的流量都很均勻,同時(shí)能避免產(chǎn)生非流線形流動(dòng),產(chǎn)生更多的流線形熔體流,物料換色時(shí)能更快地清洗機(jī)頭。其特征是沿寬度方向在中間增加了機(jī)頭體的厚度,厚度從中間到末端逐漸減小。此外,這種機(jī)頭還大大提高了產(chǎn)量,薄膜厚度精度也較高。

圖5 EDI公司的5層多流道式機(jī)頭Fig.5 Manifold die for 5 layer films from EDI

圖6 EDI公司的Contour多流道式機(jī)頭Fig.6 Contour die from EDI

Takita等[7]在專利中介紹了一種新型結(jié)構(gòu)的多流道式機(jī)頭(圖7)。第一個(gè)機(jī)頭部分形成芯層,第二個(gè)機(jī)頭部分形成第一個(gè)表層,機(jī)頭的這一部分有1個(gè)橫向的多流道,熔體流的一部分多次流經(jīng)這一流道;第三個(gè)機(jī)頭部分形成第二個(gè)表層,機(jī)頭的這一部分也有1個(gè)橫向的多流道,熔體流的一部分多次流經(jīng)這一流道。第二部分的橫向多流道和第三部分的橫向多流道都很長(zhǎng),能從根本上消除擠出薄膜的形狀記憶特性,提高薄膜品質(zhì)。

我國(guó)多流道式共擠出機(jī)頭供應(yīng)商——中國(guó)精誠(chéng)時(shí)代集團(tuán)開發(fā)的多流道式共擠出機(jī)頭(圖8)具有快速開口模唇,下模唇柔性調(diào)節(jié)厚度范圍0～4 mm,上模唇為微調(diào)柔性模唇,可控精度≤2%以內(nèi);可在線自由調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)時(shí)間由普通機(jī)頭的20 min縮短至2 min[8],縮短了停留時(shí)間,提高了生產(chǎn)效率。該公司還開發(fā)了具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的多流道式機(jī)頭(圖9),可根據(jù)實(shí)際使用要求,經(jīng)測(cè)厚儀自動(dòng)橫向往返準(zhǔn)確檢測(cè)后反饋數(shù)據(jù)。通過(guò)膨脹螺栓自動(dòng)微調(diào),快速有效控薄膜精度。模唇調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)有推、拉式和全推式柔性模-微調(diào)多種。機(jī)頭標(biāo)準(zhǔn)寬度有2000、2500、3000、4500 mm[9]。

(a)端面圖 (b)1-1截面圖 (c)2-2截面圖

圖8 具有快速開口模唇的多流道式機(jī)頭Fig.8 Manifold die with rapid-open lip

圖9 具有厚度自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的多流道式機(jī)頭Fig.9 Manifold die with automatically adjustablefunction of thickness

1.2 喂料塊式機(jī)頭

1964年,道化學(xué)公司的Douglas Chisholm和Walter Schrenk提出了喂料塊式共擠出技術(shù),其與多流道式共擠出機(jī)頭的不同點(diǎn)在于二者的物料復(fù)合方式不同,喂料塊式共擠出機(jī)頭是模內(nèi)復(fù)合,而多流道式機(jī)頭是模前復(fù)合。供料塊按要求的順序?qū)⑷垠w流分配,平衡各組分的速度,然后將熔體流并流,形成復(fù)合層,得到理想的復(fù)合薄膜[10]。如圖10所示,這種機(jī)頭的優(yōu)點(diǎn)是體積較小,易變換層數(shù),但和多流道式機(jī)頭相比,供料塊式機(jī)頭制得的薄膜各層膜厚的均勻性較差。隨著通過(guò)調(diào)節(jié)棒調(diào)節(jié)各層厚度的高精度供料塊式機(jī)頭的出現(xiàn),其應(yīng)用有所增多[1]。

圖10 典型的喂料塊式機(jī)頭結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Typical structure of feed-block dies

喂料式機(jī)頭的改進(jìn)型機(jī)頭有翼式喂料塊式多層共擠出復(fù)合平膜機(jī)頭(圖11)和滑塊式喂料塊式多層共擠出復(fù)合平膜機(jī)頭(圖12)[2]。前者的特點(diǎn)是,調(diào)節(jié)翼式元件,可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)熔體流量。因此,盡管其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高于常用的喂料塊式機(jī)頭,但其運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較低,目前已成為喂料塊式多層共擠出復(fù)合平膜機(jī)頭的主流。滑塊式喂料式機(jī)頭通過(guò)滑塊調(diào)節(jié)各層熔體的流速,進(jìn)而精確調(diào)節(jié)各個(gè)熔體層的橫向厚度分布。微調(diào)節(jié)各個(gè)熔體層。此外還消除了“黏度壓縮”造成的變形。這種供料塊的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是,卷軸所形成的流動(dòng)更具流線形,縮短了供料塊的清洗時(shí)間[6,11]。

圖13 EDI公司的Accuflow供料塊Fig.13 Accuflow feed-block from EDI

對(duì)薄膜性能要求的提高以及復(fù)合層數(shù)要求的增加,催生了微層供料塊技術(shù)。喂料塊的另一個(gè)重要應(yīng)用就是用于微米層/納米層薄膜的共擠出。聚合物微米層/納米層共擠出技術(shù)是指將兩種或兩種以上聚合物共擠出形成幾十層乃至上千交替層的復(fù)合薄膜,所得擠出層的厚度可以是微米級(jí)甚至達(dá)到納米級(jí)。該結(jié)構(gòu)最早是由道化學(xué)公司以彩虹膜的形式提出來(lái)的,其關(guān)鍵技術(shù)就是供料塊。微層膜有兩種最基本的商用供料塊。第一種是道化學(xué)公司在20世紀(jì)60年代發(fā)明的,第二種是機(jī)頭制造商Cloeren公司于20世紀(jì)90年代制造的。道化學(xué)的供料塊技術(shù)是中間層產(chǎn)生器或?qū)釉黾悠鲗⑽臃謱硬B加,層的增加是順序產(chǎn)生的,這樣層幾乎就可以無(wú)限增加。Cloeren的方法不同于道化學(xué)的層疊加技術(shù)。Cloeren的專利申請(qǐng)描述了一種熔體流分層技術(shù)(圖14),在供料塊中產(chǎn)生微層結(jié)構(gòu)。每股熔體流能被分成很多股,然后在垂直方向?qū)⒍鄬尤垠w流順流,在供料塊的末端與厚的表面層一起流到微層復(fù)合中心。最后將所有材料一起通過(guò)傳統(tǒng)的流延薄膜機(jī)頭擠出。Cloeren制造了一種供料塊,用于生產(chǎn)450層的EVOH流延阻透微層薄膜,用的是11臺(tái)擠出機(jī)共擠出,2003年開始了商業(yè)生產(chǎn)[12-13]。

Clemson大學(xué)開發(fā)的熔體疊層新技術(shù)——無(wú)序?qū)α骷夹g(shù)能在一種稱為Smart Blender的類供料塊中產(chǎn)生一種可重復(fù)性的疊加,得到層數(shù)多達(dá)1000的半連續(xù)微層[12]。

Battenfeld Gloucester工程公司用9臺(tái)擠出機(jī)組成的生產(chǎn)線生產(chǎn)17層阻透薄膜,而且可以用Cloeren的供料塊擴(kuò)到34層[12]。

EDI公司在NPE2006展出了其80層的微層超薄高阻透性薄膜機(jī)頭(圖15),其主要部分是“層增加器”,成膜原理是:由兩種材料組成的3層三明治式結(jié)構(gòu)由層增加器變成微層結(jié)構(gòu),然后進(jìn)入多流道式機(jī)頭的中

圖11 翼式喂料塊式多層共擠出復(fù)合平膜機(jī)頭Fig.11 Feed-block dies with wedge pieces for multi-layer films

圖12 滑塊式喂料塊式多層共擠出復(fù)合平膜機(jī)頭Fig.12 Feed-block dies with slides for multi-layer films

對(duì)薄膜生產(chǎn)的高效和高精度要求也是推動(dòng)供料塊發(fā)展的主要?jiǎng)右蛑弧?/p>

EDI公司開發(fā)出了一種新型結(jié)構(gòu)的共擠出供料塊——Accuflow(圖13),其特點(diǎn)是可以在線調(diào)節(jié)薄膜各層厚度,而不需中斷生產(chǎn),提高了生產(chǎn)效率,避免開停機(jī)產(chǎn)生不合格薄膜。之所以能做到這一點(diǎn),主要是因?yàn)檫@種供料塊采用了組合卷軸裝置,實(shí)現(xiàn)了在線、細(xì)心流道,與兩種新的材料流結(jié)合,形成最終薄膜的外層。據(jù)說(shuō)該技術(shù)生產(chǎn)的微層結(jié)構(gòu)可以改善包裝薄膜的濕氣阻透性[14]。圖16表明微層結(jié)構(gòu)中凝膠等缺陷被其他層包圍,因而降低了基材破裂的可能性,提高了薄膜的性能。

圖14 Cloeren的微層薄膜供料塊原理圖Fig.14 Fundamental schematic of feed-block dies for micro layer films from Cloeren

圖15 層增加器增層示意圖Fig.15 Fundamental schematic of layer multiplier of feed-block dies for micro layer films

北京工商大學(xué)也開發(fā)成功了微層薄膜共擠出技術(shù),并已轉(zhuǎn)讓,商業(yè)化生產(chǎn)已有多年[12],產(chǎn)品供不應(yīng)求。

微層薄膜既可用作光學(xué)薄膜,也可用作阻透薄膜,市場(chǎng)前景廣闊。

圖16 微層結(jié)構(gòu)中凝膠被其他層包圍Fig.16 Gels encapsulated by other layers insidemicro multi-layer films

喂料塊式機(jī)頭和多流道式機(jī)頭各有優(yōu)缺點(diǎn)[3]18,如表1所示。實(shí)際使用時(shí),應(yīng)根據(jù)薄膜性能要求及成本等因素綜合考慮。

表1 供料塊式機(jī)頭和多流道式機(jī)頭的比較Tab.1 Comparison of feed-block dies and manifold dies

1.3 供料塊與多流道組合式狹縫式機(jī)頭

平膜法較新的發(fā)展是供料塊與多流道組合式狹縫式機(jī)頭(圖17[10]),二者取長(zhǎng)補(bǔ)短,從結(jié)構(gòu)上看,喂料塊恰到好處地伸到多流道式機(jī)頭中,縮短了熔體流動(dòng)行程,具有較好的綜合性能,比較適用于復(fù)合4層以上或含熱敏性物料的薄膜[3]34,提高了共擠出機(jī)頭的適應(yīng)性。

圖17 供料塊與多流道組合式狹縫式機(jī)頭Fig.17 Feed-block-manifold integrated dies

供料塊與多流道組合式狹縫式機(jī)頭有多種,如喂料塊與多流道組合式5層共擠出機(jī)頭(圖18)和翼式供料塊與多流道組合式11層共擠出機(jī)頭(19)。后者可以使熱敏性阻透層位于中間,在多流道式機(jī)頭內(nèi)把高溫熔體復(fù)合在表層,這樣可使表層與中間層隔熱。機(jī)頭體和翼式元件內(nèi)設(shè)置的冷卻槽可提高某些層間的隔熱性能,可用于PVDC與PET或PC或EVOH、聚酰亞胺復(fù)合在一起[3]34。

圖18 喂料塊與多流道組合式5層共擠出機(jī)Fig.18 Feed-block-manifold integrated dies for five layer films

圖19 喂料塊與多流道組合式11層共擠出機(jī)頭Fig.19 Feed-block-manifold integrated dies for eleven layer films

2 管膜法

共擠出管膜法,即擠出吹塑薄膜法,所用機(jī)頭為圓柱體機(jī)頭,結(jié)構(gòu)有多種,主要有套管式圓柱體多層共擠出機(jī)頭、疊加型圓柱體多層共擠出機(jī)頭等。套管式圓柱體多層共擠出機(jī)頭主要有中心進(jìn)料式、側(cè)進(jìn)料式等多種。疊加型圓柱體多層共擠出機(jī)頭主要有平面疊加型、錐形疊加型和雙螺旋形疊加型等多種。近年來(lái),多層共擠出薄膜用的共擠出機(jī)頭得到了很大的發(fā)展。疊加型圓柱體機(jī)頭的研制成功,從理論上講,薄膜可以實(shí)現(xiàn)任意層數(shù)的組合[15]。

2.1 套管式圓柱體多層共擠出機(jī)頭

傳統(tǒng)的套管式圓柱體機(jī)頭(圖20)的主要缺點(diǎn)是隨著共擠出層數(shù)的增加,機(jī)頭的外徑將相應(yīng)增大,從而熔體與機(jī)頭表面的接觸面積相應(yīng)增大,熔體壓力降增加,同時(shí)熔體在流道內(nèi)的停留時(shí)間也相應(yīng)延長(zhǎng),物料降解的可能性也不斷增大[15-16]。

圖20 套管式圓柱體機(jī)頭示意圖Fig.20 Schematic of cylindrical mandrel dies

為了解決這一問(wèn)題,人們采用環(huán)形緩沖槽使熔體進(jìn)一步均化,還開發(fā)出了各層可以分別調(diào)節(jié)溫度的機(jī)頭,但層數(shù)較少。為了消除傳統(tǒng)套管式圓柱體機(jī)頭薄膜上產(chǎn)生的熔接痕,出現(xiàn)了同心多螺紋芯棒式機(jī)頭(圖21)和疊層芯棒式機(jī)頭(圖22),其最大的優(yōu)點(diǎn)是各層厚度的配置有可變性[3]102。

圖21 同心多螺紋芯棒式機(jī)頭Fig.21 Cylindrical mandrel dies

圖22 疊層芯棒式機(jī)頭Fig.22 Stack mandrel dies

在我國(guó),多層共擠出吹塑薄膜機(jī)頭得到了廣泛的應(yīng)用。為了提高吹塑薄膜的品質(zhì),很多新型共擠出吹塑薄膜機(jī)頭在我國(guó)開發(fā)研制成功并得到應(yīng)用。

為了解決套管式圓柱體機(jī)頭出料均勻性問(wèn)題,孫洪舉[17]設(shè)計(jì)了一種均布進(jìn)料多層共擠出吹塑薄膜機(jī)頭并申請(qǐng)了專利,該機(jī)頭合理地分布了進(jìn)料結(jié)構(gòu),使得進(jìn)料十分均勻(圖23)。

馬鎮(zhèn)鑫[18]發(fā)明了一種多層塑料薄膜共擠出機(jī)頭(圖24),其主要特征在于熔體進(jìn)入機(jī)頭時(shí)采用多流道或改變流道結(jié)構(gòu)和形狀,克服了傳統(tǒng)上由于機(jī)頭內(nèi)靠近入料口處與遠(yuǎn)離入料口處存在料壓力差這一缺陷。

圖23 具有均勻進(jìn)料結(jié)構(gòu)的機(jī)頭Fig.23 Dies with even inflow structure for blown films

圖24 新型結(jié)構(gòu)的吹塑薄膜機(jī)頭Fig.24 Dies with innovative structure for blown films

2006年,陶偉強(qiáng)等[19]設(shè)計(jì)了新型多層共擠出吹塑薄膜旋轉(zhuǎn)機(jī)頭,采用了短圓柱體式的芯棒結(jié)構(gòu)(圖25),芯棒上的多頭螺紋溝槽的螺紋僅有0.75個(gè)導(dǎo)程,而且在芯棒上添加了與主螺紋溝槽同等數(shù)量的較小截面積的副螺紋。這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了機(jī)頭結(jié)構(gòu),縮短了流道的長(zhǎng)度,減小了機(jī)頭體積和質(zhì)量,降低了制造成本。

圖25 新型螺旋芯棒結(jié)構(gòu)圖Fig.25 Dies with new spiral mandrel structure for blown films

2.2 疊加型共擠出機(jī)頭

疊加型共擠出機(jī)頭一般采用側(cè)進(jìn)料,熔體以中心軸對(duì)稱,在每層的疊加面(平面和錐面)流動(dòng),而不是傳統(tǒng)的筒狀流動(dòng)。疊加型機(jī)頭的最大優(yōu)點(diǎn)是機(jī)頭層數(shù)可以任意組合,而且每層溫度可以單獨(dú)控制,這樣可以根據(jù)不同的需要分別控制每層的溫度,而且物料的停留時(shí)間較常規(guī)的機(jī)頭要短而且均一,所以可以有效防止物料降解[15]。

張玉霞[15]介紹了平面疊加型機(jī)頭(圖26)、錐形疊加型機(jī)頭(圖27)和雙螺旋疊加共擠出機(jī)頭(圖28)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及性能和應(yīng)用范圍。雙螺旋形疊加共擠出機(jī)頭每一層的上下兩面都有螺旋流道,實(shí)質(zhì)上每一層都是一個(gè)能生產(chǎn)兩層膜的機(jī)頭,機(jī)頭整體高度低,流道短,熔體停留時(shí)間短,這對(duì)于加工易降解的材料是非常有優(yōu)勢(shì)的。該機(jī)頭結(jié)構(gòu)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是:(1)其層間隔熱技術(shù)第一次真正做到了各原料層間的絕熱;(2)每一層模板都有一套分流板,并用螺栓將它們連接成為一個(gè)整體,形成一個(gè)完整的機(jī)頭系統(tǒng);(3)每個(gè)模板都有一個(gè)單獨(dú)的溫控區(qū)域;(4)每層模板的兩側(cè)都有充滿空氣的間隙,在相鄰的2個(gè)模板之間有可能存在最大60℃的溫度差,這樣高溫樹脂與低溫樹脂的模板可以相毗鄰[20-21]。

圖26 平面疊加型機(jī)頭Fig.26 Pancake stack dies

圖27 錐形疊加型機(jī)頭Fig.27 Conical stack dies

圖28 雙螺旋形疊加型機(jī)頭Fig.28 Coextrusion die with dual spiral system from Alpha[22]

大連橡膠塑料機(jī)械股份有限公司[21]研制了3層共擠出重包裝膜吹塑機(jī)組SJ GZM-860×3-01,采用的就是雙螺旋模塊化疊加型共擠出吹塑機(jī)頭。該公司設(shè)計(jì)制作的五層共擠出醫(yī)用輸液膜吹塑機(jī)組,在上海雙鴿實(shí)業(yè)股份有限公司試車成功。該機(jī)組采用的也是雙螺旋模塊化疊加型共擠出機(jī)頭[23]。

近年來(lái),疊加型機(jī)頭在多層共擠出吹塑薄膜中不僅得到了廣泛的應(yīng)用,而且得到了很大的發(fā)展。主要體現(xiàn)在降低機(jī)頭體高度、縮短熔體流道長(zhǎng)度及其在流道中的停留時(shí)間、優(yōu)化流道設(shè)計(jì)、提高層間溫度控制精度和密封性;提高薄膜厚度控制精度及自動(dòng)化控制程度;增強(qiáng)物料的適應(yīng)性;方便拆卸和清洗等。

2.2.1 優(yōu)化流道設(shè)計(jì),縮短熔體停留時(shí)間

Battenfeld Gloucester公司的徑向疊加型機(jī)頭的同心圓芯棒式設(shè)計(jì)使機(jī)頭的高度和質(zhì)量比常規(guī)的機(jī)頭減少了50%。其改進(jìn)后的螺紋和密封技術(shù)確保了層與層之間不會(huì)有任何污染,而且使加工的靈活性提高,熔體混合效果更好,吹塑出的薄膜的品質(zhì)更高。缺點(diǎn)是熔體溫度不能單獨(dú)控制,特別是中間層的溫度[24-26]。

Davison Randolph L和BL EMBERG Robert John公開了一種新型疊加型共擠出機(jī)頭并申請(qǐng)了專利,其采用的是平面壓應(yīng)力封接技術(shù),而且出口表面形狀為錐形或其他角度。與傳統(tǒng)的平面疊加型機(jī)頭相比,該機(jī)頭具有較好的流線形和物料融合性,而且整體直徑和熔融面積較小,可以說(shuō)是綜合了平面疊加型機(jī)頭和錐形疊加型機(jī)頭的優(yōu)點(diǎn)[27]。

Davis-Standard公司[28-29]研制了一種新型疊加型螺旋機(jī)頭,其流道很短,可以成型各種PE樹脂。2005年,該公司又推出了低體型共擠出機(jī)頭(Lo-Pak機(jī)頭),該機(jī)頭生產(chǎn)的薄膜厚度偏差很小,品質(zhì)高,并且產(chǎn)量也很高,可加工多種樹脂和新型薄膜。該機(jī)頭采用了剪切速率模型設(shè)計(jì),減少了物料的停留時(shí)間和熔融面積。其另一特點(diǎn)是從合流處到出口間隙的距離短,因此適合加工各種黏度和各種類型的樹脂。此外,所有的擠出機(jī)過(guò)渡管線都處于同一高度,這樣便于維修和對(duì)樹脂進(jìn)行處理。Lo-Pak機(jī)頭的直徑在200～900 mm的范圍內(nèi),最多可共擠出9層薄膜。

Brampton公司[30]稱其流線形共擠出機(jī)頭(SCD)在原有的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)上一直都在改進(jìn),截至2004年已經(jīng)研制到SCD-3。該機(jī)頭共擠出的薄膜尺寸精度高,各層之間隔熱,流線形設(shè)計(jì)保證了流道內(nèi)沒(méi)有滯留點(diǎn),聚合物不會(huì)在機(jī)頭內(nèi)降解,對(duì)于加工多種聚合物都有優(yōu)異的表面穩(wěn)定性。此外,其濕潤(rùn)面積小,各層流道清洗更快更經(jīng)濟(jì)。通過(guò)增加層數(shù)很快地改變薄膜結(jié)構(gòu),這樣在同一條生產(chǎn)線上生產(chǎn)多種結(jié)構(gòu)也就越來(lái)越實(shí)際。SCD機(jī)頭的獨(dú)特之處是各層之間可以按其理想溫度加工,層間溫差可以高達(dá)40℃,這樣就可以很好地利用各種聚合物的性能。例如,可以緊挨著聚酰胺加工EVOH。此外,機(jī)頭采用模塊化設(shè)計(jì),打開后,所有流道都露出來(lái)了,非常易于清洗。

利用MUL TICONE 技術(shù),W&H公司開發(fā)了具有極佳性價(jià)比的新型模塊化吹塑薄膜系統(tǒng)。在K2004上,W&H展示了其VAREX 5層吹塑薄膜生產(chǎn)線,該生產(chǎn)線裝備有公司最新專利技術(shù)MAXICONE 機(jī)頭(圖29)。這一技術(shù)采用緊湊型設(shè)計(jì),可以確保流動(dòng)路徑和物料停留時(shí)間最短,并保證每一層薄膜都具有完全可靠的流動(dòng)分布,通過(guò)采取減少死角和減少壓力損失實(shí)現(xiàn)節(jié)約物料[31]。2006年,該公司研制成功了其首臺(tái)9層阻透薄膜機(jī)頭,薄膜層數(shù)更多了,為薄膜加工廠商提供了更大的靈活性,可以構(gòu)造出不同結(jié)構(gòu)的阻透薄膜,滿足包裝產(chǎn)品的要求。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是熔體容積和停留時(shí)間都減少了,而這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于最終薄膜品質(zhì)有著決定性的影響。因?yàn)樵诩庸ひ恍┍∧と鏓VOH時(shí),如果與金屬表面接觸時(shí)間長(zhǎng)了,就很容易分解,會(huì)造成大量原材料的浪費(fèi)。其采取的主要解決措施是通過(guò)熔體再分配器實(shí)現(xiàn)熔體的再分配;通過(guò)其專利技術(shù)的螺旋芯棒分配器使熔體在圓周方向上均勻分配;通過(guò)錐形疊加螺旋芯棒分流器保證熔體流程最短,縮短了停留時(shí)間[32]。

圖29 MAXICONE 9層機(jī)頭示意圖Fig.29 Schematic of MAXICONE 9-layer die

在K2007上,Hosokawa Alpine公司展示了其新型X系列3、5、7、9層共擠出機(jī)頭,該系列機(jī)頭采用了螺旋分流系統(tǒng),流道短,熔體在流道內(nèi)的停留時(shí)間短;而且流道表面經(jīng)過(guò)涂覆,熔體可以自由流動(dòng)。此外,機(jī)頭內(nèi)空氣分布好,適用于內(nèi)膜泡冷卻。溫度和分流容易控制;清洗和維修易于進(jìn)行。9層共擠出工程阻透薄膜機(jī)頭——NBF40-56X的直徑在400～560 mm,最大工作壓力可達(dá)60 MPa[33]。

廣東金明塑膠設(shè)備有限公司開發(fā)的高性能多層共擠出中心進(jìn)料機(jī)頭[34],利用中心進(jìn)料,螺桿心軸分配,雙錐面疊加結(jié)構(gòu)。優(yōu)點(diǎn)是:熔體流程短,薄膜厚度精度高(圖30)。

圖30 雙錐面疊加型共擠出機(jī)頭部件Fig.30 Components of coextrusion dies with dual conical stack structure

2.2.2 提高物料的適應(yīng)性

此外,共擠出機(jī)頭還提高了加工物料的多樣性。機(jī)頭的流線形設(shè)計(jì)以及短的流動(dòng)路徑使得加工熱敏性物料成為可能,機(jī)頭的加工物料組合變得更隨意化,如Macro公司用包裹技術(shù)生產(chǎn)吹塑薄膜的專利技術(shù)成功地將易降解材料在進(jìn)入機(jī)頭之前包裹,降低了降解的可能性。

2008年廣東金明塑膠設(shè)備有限公司利用多層共擠出疊加型機(jī)頭的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì),開發(fā)出了7層非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多層共擠出高阻透薄膜生產(chǎn)線,7層薄膜由1層EVOH、3層PA、2層黏合劑樹脂和1層茂金屬聚乙烯組成。其所采用的機(jī)頭(圖31)能夠?qū)囟炔煌?、流變特性迥異的不同熔融態(tài)樹脂復(fù)合,分層清晰,比例穩(wěn)定[35]。

圖31 7層非對(duì)稱結(jié)構(gòu)的多層共擠出高阻透薄膜機(jī)頭Fig.31 Stack dies with asymmetrical structure for multi-layer blown films with high barrier property

2.2.3 提高薄膜厚度控制精度

大連東方橡膠塑料機(jī)械開發(fā)公司為了使多層共擠出疊加型機(jī)頭生產(chǎn)的薄膜總厚度偏差縮得更小,在2001年成功開發(fā)了一種柔性模口機(jī)頭[36],可分別獨(dú)立調(diào)整圓周上24個(gè)點(diǎn)厚薄偏差,使疊加型機(jī)頭更加完善。

在Chinaplas2008上,廣東金明塑膠設(shè)備有限公司展出了一臺(tái)可自動(dòng)調(diào)節(jié)薄膜厚度的吹塑薄膜機(jī)頭(圖32)[37],機(jī)頭直徑為250 mm,周圍均布56個(gè)加熱元件(加熱元件數(shù)量視機(jī)頭直徑和控制點(diǎn)精度要求增減),通過(guò)電加熱方式調(diào)整控制機(jī)頭內(nèi)管坯料流的溫度,與薄膜在線測(cè)厚儀和控制單元共同組成了一套薄膜厚度在線檢測(cè)、調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)。采用自動(dòng)機(jī)頭系統(tǒng)可以自動(dòng)檢測(cè)、調(diào)節(jié)、控制吹塑薄膜的厚度,提高了薄膜品質(zhì),在保證薄膜品質(zhì)不變的條件下減少了原料消耗,降低了生產(chǎn)成本,同時(shí)減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖32 自動(dòng)調(diào)節(jié)厚度的吹塑薄膜機(jī)頭Fig.32 Stack die with automatically adjustable function of thickness

3 結(jié)語(yǔ)

從最近10年來(lái)的發(fā)展看,無(wú)論是在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外,機(jī)頭作為擠出系統(tǒng)的重要組成部分,得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,“重主機(jī),輕輔機(jī)”問(wèn)題得到了很大程度上的解決。我們有理由相信,隨著對(duì)塑料薄膜性能要求的不斷提高以及機(jī)械制造技術(shù)的發(fā)展、自動(dòng)化控制技術(shù)和CAD/CAM/CAE技術(shù)的廣泛應(yīng)用,多層共擠出薄膜機(jī)頭將在下述幾個(gè)方面取得突破:

多層塑料薄膜共擠出機(jī)頭厚度控制精度還將不斷提高,這在超寬平膜法共擠出機(jī)頭和管膜法共擠出機(jī)頭中尤為重要;不斷創(chuàng)新機(jī)頭結(jié)構(gòu),增加薄膜層數(shù),滿足薄膜性能要求;創(chuàng)新技術(shù),不斷提高機(jī)頭對(duì)不同原料的適應(yīng)性,這是高阻透等薄膜所要求的;高速、高產(chǎn)量仍將是多層塑料薄膜共擠出機(jī)的主要要求之一,機(jī)頭結(jié)構(gòu)如何滿足高產(chǎn)量要求是設(shè)計(jì)者面臨的巨大挑戰(zhàn)之一;在滿足薄膜性能要求的前提下,如何提高機(jī)頭的熱效率、降低能耗,實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能也是未來(lái)機(jī)頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須解決的問(wèn)題。

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Structure Improvement and Development of Coextrusion Dies for Multi-layer Plastics Films

MIAO Lirong1,ZHAN G Yuxia2＊,XUE Ping1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Beijing University of Chemical Technology,Beijing 100029,China;2.Institute of Plastics Processing and Application of Light Industry of China,Beijing Technology and Business University,Beijing 100048,China)

Typical structure and features of coextrusion dies for multi-layer plastics films were introduced,including dies for casting multi-layer films(flat film method)and dies for blown multilayer films(tubular film method).Major dies for casting multi-layer films include manifold dies,feed block dies and feed-block-manifold integrated dies.Dies for blown films involve cylindrical mandrel dies and cylindrical stack dies.Development situation of them in recent 10 years were also described in detail,covering innovative structure,enhanced adaptability of polymers and increasing layers of the films.

multi-layer;coextrusion;die;plastics film;flat film method;tubular film method;manifold die;feed block die;spiral mandrel die;stack die

TQ320.66+3

A

1001-9278(2010)02-0011-10

2009-10-18

＊聯(lián)系人,chinaplas@126.com