吹膜配方及工艺笔记——多层共挤吹膜设备关键技术

平面叠加

这种模头以加拿大BramPton Engineeoing公司为代表, 如图1所示。

图1：叠加吹膜模头

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调，使得熔体的密封困难，需要许多螺钉密封。

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，其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。

2.1上斜锥形叠加

这种机头是加拿大Ma cm公司推出的, 主要用于直径1Omm一50mm 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。

2.2下斜锥形叠加

这种机头也是加拿大州a c r o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的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。

2.3径向方向叠加式

这种模头以Battenfeld Glouceste Engineering公司为代表, 如图2 所示。

图2：Battenfeld Gloucester 低中心吹膜模头

它的流道是螺旋芯棒式,如图3 所示, 流体在圆柱面上。图4为Battenfeld GloucesterEngineering公司的9 层模头结构图。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,所以密封比叠加型好。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：螺旋模头

图4：Battenfeld Gloucester 9层吹膜模头

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q1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。

模头设计的好坏主要取决于如图5所示的流道参数：螺旋角Φ;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q2, 刚好在流道结束的时候全部转换完毕。

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q2, 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。

图5. 螺旋芯棒结构图

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。多层模头来说，每层流道参数根据那层的材料参数，产量来计算。

在多层熔体汇合熔接处，还要算出各层的厚度分布。多层共挤吹塑模头的设计比较复杂，国外公司都有他们自己的理论计算方法。有些也买了商业化的软件如POLYFLOW,FLOW2000等。

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。对于支撑层材料来说, 国外设备的螺杆基本上采用的是分离型螺杆(Barrier Screw), 再在计量断加上一个混炼元件以证混炼混色效果。对于如图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：据美国XALOY公司称他们的通用型螺杆除PVC 外, 可以加工大多数塑料。美国XALOY 的通用型螺杆正是分离型螺杆。分离型螺杆的适应性广, 对于多种塑料都适用的原因是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, 熔体越过副螺陵跑到熔体床, 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化，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 的用于加工聚烯烃的65分离型螺杆, 加料段螺槽深度Hl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。

分离型螺杆设计的难点

( 1 ) 副螺陵与机筒的间隙,它是变化的, 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。

素材来源网络