李 浩

(廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

0 前言

隨著塑料吹塑薄膜在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，市場對塑料薄膜的性能和品質(zhì)的要求越來越高。為了適應(yīng)市場的需求，原料生產(chǎn)廠家不斷推出不同性能的塑料原料，促使薄膜生產(chǎn)廠家不斷推出新配方、新工藝，同時在確保其制品在滿足使用性能等要求的條件下盡量降低生產(chǎn)成本；而吹塑裝備生產(chǎn)廠家則對技術(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化、提升，以獲得更好的制品性能、品質(zhì)和更高的產(chǎn)量。在“塑料生產(chǎn)、裝備制造、制品加工”這一產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)改造升級過程中若協(xié)調(diào)不好可能會出現(xiàn)意想不到的各種問題，尤其是塑料擠出螺旋機(jī)頭在加工某些聚烯烴原料或液晶聚合物(LCP)時，所出現(xiàn)的流道線會在一定程度上影響制品的性能和品質(zhì)，使設(shè)備制造廠和薄膜生產(chǎn)廠要投入大量的人力和經(jīng)費來研究和解決問題。例如，工業(yè)包裝用保護(hù)膜表面如果存在流道線，薄膜上流道線的透明度和其他部位的透明度不一致，會影響到液晶面板等被保護(hù)電子產(chǎn)品的視覺效果；流道線問題還會導(dǎo)致擠出吹塑機(jī)械在更換不同顏色的色母時的換色時間過長，或?qū)е赂鼡Q流動性能差異較大原料的換料時間過長、原料消耗過多等問題的出現(xiàn)。本文對螺旋機(jī)頭產(chǎn)生流道線的原因及解決方法進(jìn)行論述，以供從事相關(guān)工作的人員參考、借鑒。

1 擠出薄膜制品中的線痕、流道線和熔接痕

在吹膜擠出中，薄膜中的線痕數(shù)量往往與?？谥锌椎臄?shù)量有關(guān)，因此，這樣的線痕常常被稱為孔線[1]。這些孔線明顯與機(jī)頭設(shè)計有關(guān)，但它們往往也非常依賴于聚合物的熔體流動特性。高分子聚合物有很長的弛豫時間，更容易表現(xiàn)出孔線或其他類型的?？诰€痕。當(dāng)聚合物熔體在機(jī)頭中或者甚至在?？谇胺蛛x和重新熔合時，則會形成熔接痕。熔接痕也被稱為匯合痕。

孔線就是擠出吹塑薄膜生產(chǎn)過程所講的流道線，流道線的表述比孔線更加準(zhǔn)確，這是因為隨著多層共擠工藝技術(shù)的發(fā)展以及多層共擠螺旋機(jī)頭的不斷創(chuàng)新，如圖1(a)和圖1(c)所示結(jié)構(gòu)的螺旋機(jī)頭設(shè)置有流道孔，而圖1(b)所示結(jié)構(gòu)的螺旋機(jī)頭靠表面流道溝槽來分流熔融的塑料就不需流道孔了，但螺旋流道依然是螺旋機(jī)頭不可缺少的重要組成部分。多層共擠螺旋機(jī)頭的內(nèi)流道基本可以分為6段，分別是主流道、分配流道(或稱分配系統(tǒng))、螺旋流道、松弛段、匯流復(fù)合段和?？诙巍Ａ鞯谰€產(chǎn)生的位置通常位于分配流道和螺旋流道的連接處，通常由于流道線的數(shù)量和螺旋流道的數(shù)量一致，而螺旋流道沿圓周均布，以致出現(xiàn)在吹塑薄膜制品上的流道線的間隔也是相等的，如圖2所示。在某些情況下，雖然設(shè)計者已經(jīng)對機(jī)頭做出了消除流道線的設(shè)計，但流道加工的尺寸和表面粗糙度不一致，會直接影響到膜面上流道線的粗細(xì)，當(dāng)出現(xiàn)部分流道線細(xì)小到肉眼不能看到時，有時會覺得膜面上流道線和螺旋流道的數(shù)量不一致，此時可能會導(dǎo)致薄膜生產(chǎn)的工藝人員對線痕產(chǎn)生的原因產(chǎn)生困惑，這些線痕究竟是不是流道線？可用什么方法進(jìn)行消除或者改善？

(a)中心分配單層螺旋機(jī)頭 (b)表面分配機(jī)頭螺旋體 (c)單層螺旋機(jī)頭的螺旋體圖1 螺旋機(jī)頭Fig.1 Spiral die

圖2 流道線在膜面上分布Fig.2 Flow line on film surface

劃痕，是線痕的一種。通常指熔體流經(jīng)機(jī)頭內(nèi)部或?？谔?，在某處受到尖銳物的阻流分割從而使熔體重新熔接包合，由于熔合不充分?jǐn)D出?？诮?jīng)冷卻定型后在薄膜表面上形成的線痕，它也是一種熔接痕。當(dāng)劃痕情況嚴(yán)重且薄膜受到外力的作用時，容易引起薄膜被撕裂?，F(xiàn)階段的機(jī)頭流道按流線型、無死角、表面光滑的設(shè)計，劃痕能得到有效的控制，而通常劃痕是因機(jī)頭內(nèi)部或?？谔幷掣搅酥T如凝膠、焦料、?？诘瘟系犬愇锼鶎?dǎo)致的，劃痕處薄膜的厚度較薄，這類問題只要對機(jī)頭拆卸清潔就能有效解決。

流道線，是線痕的一種，是熔體一種特殊的熔接痕。熔體在螺旋機(jī)頭中沿螺旋槽作螺旋流動，同時在一個具有特定的間隙(即漏流間隙)的空心環(huán)形內(nèi)腔作軸向流動，隨著螺槽的變淺和環(huán)形間隙的增大，熔體的流動由主要的螺旋方向過渡到沿環(huán)形內(nèi)腔作軸向流動。螺旋機(jī)頭的螺旋流道按一定的螺距均布排列，熔體在螺槽與環(huán)形間隙之間交聯(lián)流動，最終達(dá)到均化和軸向等速流動的目的?？梢娐菪龣C(jī)頭比其他結(jié)構(gòu)機(jī)頭能更有效地消除熔接痕。但若將熔體流動分布在圓周方向按流道分布數(shù)量n進(jìn)行分割，通過專業(yè)的模擬仿真軟件分析發(fā)現(xiàn)360 °/n夾角的范圍內(nèi)熔體的流速和流量的分布存在波峰和波谷的波浪形變化。圖3為solidworks simiuliation模擬軟件對具有4個均布螺旋流道尾部的流速進(jìn)行仿真的分布曲線圖，同時通過拆卸機(jī)頭檢查附著在螺旋流道出口表面熔體流動的流痕與仿真圖形一致，由此證明流道線的數(shù)量和螺旋流道的數(shù)量是一致的。

圖3 螺旋流道尾部流速分布仿真曲線Fig.3 Simulation curve of MFR distributionthe end of spiral channel

(a)白色 (b)透明圖4 流道線Fig.4 Flow line

流道線是一種獨特的熔接痕，這是基于熔體沿徑向和軸向復(fù)合流動的熔合結(jié)果。在徑向，熔體沿螺旋流道起始處的環(huán)形間隙靠外壁的位置先流出，先流出的熔體要和相鄰的前一螺旋流道末端慢流出的熔體在徑向進(jìn)行熔接，從而產(chǎn)生熔接痕。在軸向，螺旋流道出口處的流速有快慢，慢的區(qū)域出現(xiàn)熔體滯留，尤其更換了不同顏色的色母時更易觀察到，流速相差過大也會產(chǎn)生熔接痕。因此，螺旋機(jī)頭的流道線通常有2種，一種是徑向的熔合線，這種熔合線由于吹塑的連續(xù)擠出，表現(xiàn)為膜泡運動方向的線痕；另一種是軸向的熔接痕，同樣表現(xiàn)為膜泡運動方向的線痕。在機(jī)頭工藝溫度設(shè)定正常的情況下，2種流道線明顯的區(qū)別在于前者在膜泡上以白線條出現(xiàn)[圖4(a)]，后者在膜泡上以透明的亮線出現(xiàn)[圖4(b)]，若機(jī)頭設(shè)計和加工材料、工藝溫度的設(shè)定偏差較大時，這2種線條可能會同時出現(xiàn)。為什么流道線有白線條和亮線條2種，這是因為聚合物的熔體在高壓力作用下沿流道流動，分配流道在同一截面中心部的熔體溫度高、黏度小、流速快；靠近流道壁的熔體受金屬壁阻力的作用而溫度低、黏度大、流速慢；而靠近流道壁的熔體在進(jìn)入螺旋流道的起始部位上(位置最靠外)，熔體從環(huán)形間隙最先流出，因沒有被有效熔合，直至擠出模口時，此處熔體與其他位置相比，其黏度仍然較高、溫度較低，因此顯現(xiàn)出白線條。亮線條是由于該位置的螺旋流道出口處對應(yīng)分配流道芯部的熔體分配位置，其熔體溫度高、流速快、出料快，與其他部位流速慢的熔體未能有效熔合，在?？谙鄬?yīng)的位置上熔體的擠出料量大、冷卻慢，因而在?？诔隹陲@現(xiàn)了亮線條，同時因吹脹比大，膜泡冷卻后此部位的薄膜反而變薄。

2 消除或減弱流道線的工藝解決方案

由于流道線是一種特殊的熔接痕，可參照熔接痕的解決辦法從工藝調(diào)節(jié)進(jìn)行解決，必須給聚合物以足夠的沿匯合線的“瘉合”機(jī)會?！隘伜稀边^程實質(zhì)上是聚合物分子的再纏繞[2]。在這個過程中重要的參數(shù)為時間、溫度和壓力。“瘉合時間”(亦稱弛豫時間)隨溫度升高而減少，但隨相對分子質(zhì)量而增加。

決定熔接痕問題的嚴(yán)重程度的因素有：(1)從熔體流線重新接合到?？诔隹诘臅r間/長度，即駐留時間；(2)聚合物熔體的恢復(fù)時間。如果停留時間大于恢復(fù)時間，熔接痕將在機(jī)頭內(nèi)消失，不會在薄膜上出現(xiàn)。如果停留時間小于恢復(fù)時間，熔接痕不會在機(jī)頭內(nèi)消失。常見的工藝現(xiàn)象是機(jī)器暫時停機(jī)30 min后再開機(jī)，發(fā)現(xiàn)流道線短暫消失然后又重新出現(xiàn)，就是因為駐留時間不同造成的。

通過增加聚合物在機(jī)頭內(nèi)的停留時間或減少聚合物熔體的恢復(fù)時間，可以減輕或消除流道線。因此工藝人員可以通過降低擠出機(jī)的轉(zhuǎn)速、改變配方或調(diào)整工藝溫度來消除和弱化流道線。例如，工藝人員發(fā)現(xiàn)低密度聚乙烯和高密度聚乙烯由于黏度低、流動性好容易產(chǎn)生流道線，混入一定比例的線性低密度聚乙烯或茂金屬線性低密度聚乙烯可有效消除流道線；工藝人員還發(fā)現(xiàn)白色流道線和透明流道線可通過降低機(jī)頭溫度來減輕。但工藝解決方案通常對于透明流道線比較有效，對于白色流道線有一定的難度和局限性，尤其是生產(chǎn)某種產(chǎn)品必須用某種容易產(chǎn)生流道線的材料時，如何從根本上解決流道線的問題，還需從最初的機(jī)頭設(shè)計入手。

多層共擠機(jī)頭的設(shè)計自從有了三維制圖和模擬仿真軟件的輔助，機(jī)頭的設(shè)計趨于緊湊、低型體。設(shè)計者想方設(shè)法減小機(jī)頭的高度和直徑，減少流道和熔體的接觸面積，達(dá)到縮短熔體在機(jī)頭內(nèi)的駐留時間、降低機(jī)頭的壓力損失、縮短機(jī)頭的換料換色時間，提高產(chǎn)量、降低成本的目的。而熔接痕的解決方法之一是要增加熔體在機(jī)頭內(nèi)的停留時間，與多層共擠機(jī)頭技術(shù)的發(fā)展方向相違背，所以好的解決方案是從設(shè)計入手，讓熔接痕變得很淺，這樣所需的熔合時間就會縮短，機(jī)頭同樣可向緊湊型的方向發(fā)展。

3 消除或減弱流道線的機(jī)頭流道設(shè)計方案

機(jī)頭設(shè)計應(yīng)遵循流變學(xué)的理論，而不同的材料其流變特性差別很大，熔體流動速率實質(zhì)上是原料公司用來表征一族樹脂里的聚合物特征的一個單點黏度。大多數(shù)樹脂是根據(jù)熔體流動速率(MFR)做交易的[3]。聚烯烴的品種很多，吹膜工藝所用樹脂的MFR值在0.1～20 g/10 min之間，因此機(jī)頭設(shè)計應(yīng)針對多種材料進(jìn)行仿真模擬分析，以找到最佳的設(shè)計數(shù)據(jù)。上述的白色的流道線是徑向的熔合線，主要原因是螺旋起始漏流過早、過多或回流所致，熔體無法在短時間內(nèi)“瘉合”。圖5由VELTMSpiral Die 模塊模擬預(yù)測的螺旋芯體分配系統(tǒng)中的4個周期塊的路徑線，這種路徑線在虛線框位置就會產(chǎn)生白色的流道線。因此，機(jī)頭設(shè)計應(yīng)減少起始漏流。

圖5 螺旋機(jī)頭螺旋槽起始區(qū)域的漏流量圖Fig.5 Over flow chart of the initial part of spiral groove of the spiral die

機(jī)頭設(shè)計應(yīng)注意減少起始漏流并不是僅僅要減小螺旋流道的起始間隙，而是要改變螺旋流道的漏流分布，若單一減小起始漏流間隙，可能流道線消除不了，只是改變了流道線出現(xiàn)的位置；同時過小的漏流間隙也會導(dǎo)致起始漏流處的壁剪切應(yīng)力很低，這會導(dǎo)致熔體滯流甚至產(chǎn)生降解，在原流道線的位置會不斷產(chǎn)生晶點，產(chǎn)生新的問題。圖6是改進(jìn)設(shè)計的螺旋分配系統(tǒng)，讓所有的路徑線處于同一方向，以減少起始漏流和回流，這種設(shè)計能有效地消除或減輕流道線，這樣的設(shè)計既不用增加螺旋流道的數(shù)量，也不用增加螺旋流道的長度，滿足緊湊型機(jī)頭的設(shè)計。白色的流道線可以通過優(yōu)化螺旋流道的設(shè)計來解決， 那么如何解決透明的流道線呢？實際上道理是相同的，前面分析過透明的流道線是軸向的熔接痕， 透明流道線的區(qū)域流速慢，因此螺旋流道設(shè)計的分配必須均勻，減少滯留區(qū)。

通過對螺旋流道的模擬分析我們可以進(jìn)一步了解為什么可以通過降低擠出機(jī)和機(jī)頭的加工溫度來減輕流道線，這是因為降溫通常會提高熔體的黏度，熔體沿螺旋流道方向增大流量，減少起始漏流量和避免出現(xiàn)滯留區(qū)，熔體的分配更加均勻，降溫帶來的另一好處是能夠提升薄膜的厚薄均勻度；如果某些材料的黏度變化對溫度不敏感，或者降溫會增加弛豫時間，此時就很難通過工藝溫度的調(diào)整來解決，只能通過降低擠出速度，延長熔體在機(jī)頭內(nèi)的停留時間來減輕流道線。

圖6 改進(jìn)設(shè)計的螺旋分配系統(tǒng)漏流分布圖Fig.6 Initial flow distribution chart of the improved spiral distribution system

5 結(jié)論

(1)探討了流道線產(chǎn)生的主要原因及解決方法；

(2)在機(jī)頭的設(shè)計中除了注重螺旋流道的分配效果外，還應(yīng)關(guān)注熔體的剪切速率、剪切應(yīng)力、駐留時間等流變行為，并要關(guān)注螺桿的剪切和混合效果;

(3)剪切變稀導(dǎo)致流體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯的變化，分子間的作用力減弱，流動的阻力減小，流體黏度降低，從而影響熔體在螺旋機(jī)頭流道中的分配效果。