吹塑 VS 流延:聚乙烯薄膜加工工艺全解析

财富   2024-12-13 17:18   上海  
聚乙烯薄膜一般具有良好的柔韧性,触感柔软,可以轻易地弯曲、折叠而不会破裂。这使得它在包装等领域能够很好地贴合被包装物品的形状。例如在食品包装中,能够紧密地包裹食品,起到保护作用。
它的透明度因聚乙烯的种类和加工工艺而异。低密度聚乙烯薄膜通常透明度较高,能够让消费者清楚地看到包装内的产品内容。而高密度聚乙烯薄膜由于结晶度较高,透明度可能稍差,但仍具有一定的可视性。
在阻隔性能方面,聚乙烯薄膜对水蒸气有一定的阻隔能力,但对氧气和其他气体的阻隔性相对较弱。不过,通过与其他材料复合等方式可以改善其气体阻隔性能。
聚乙烯薄膜加工方式主要有吹塑法和流延法,它们有各自的优势与劣势:


吹塑法

  
优势
  • 设备简单:吹塑法的设备相对来说比较简单,投资成本较低。它主要由挤出机、吹胀装置、牵引装置、收卷装置等组成。
  • 薄膜性能好:通过吹塑工艺生产的薄膜具有良好的拉伸性能和韧性。这是因为在吹胀过程中,薄膜在纵横两个方向上都得到了拉伸,使分子链取向排列,从而提高了薄膜的机械性能,适用于对强度要求较高的包装用途。
  • 产品多样性:能够生产多种规格的薄膜,如可以方便地调整薄膜的宽度、厚度等参数。而且可以通过改变吹胀比等工艺参数,生产出不同性能和用途的薄膜,例如生产用于农业覆盖的较厚薄膜,或者用于食品包装的较薄薄膜。
劣势
  • 厚度均匀性差:与流延法相比,吹塑法生产的薄膜厚度均匀性稍差。由于吹塑过程中薄膜是在圆周方向上吹胀成型,受到空气流动、冷却速度等多种因素的影响,薄膜圆周方向的厚度可能会出现一定的波动。
  • 生产速度相对较慢:吹塑法的生产速度一般不如流延法快。这是因为吹塑过程包括吹胀、冷却等多个环节,每个环节的速度都有一定限制,例如吹胀过程需要一定的时间来使薄膜达到合适的尺寸和性能,这就影响了整体的生产效率。


流延法

优势
    • 厚度均匀:流延法生产的薄膜厚度均匀性非常好。在流延过程中,聚合物熔体通过扁平的模头挤出,在冷却辊上迅速冷却形成薄膜,这种成型方式使得薄膜在宽度方向上的厚度分布比较均匀,能够精确控制薄膜的厚度,对于一些对厚度精度要求较高的应用场景(如电子包装等)非常合适。
    • 生产速度快:具有较高的生产速度,能够实现大规模、高效率的生产。因为流延工艺相对简单流畅,熔体挤出后能快速冷却定型,并且可以连续不断地进行生产,所以在单位时间内能够生产出更多的薄膜产品。
    • 透明度高:生产出的薄膜透明度高,光泽度好。这是由于流延法生产过程中,薄膜快速冷却,使得结晶度相对较低,分子链排列较为规整,从而减少了光线的散射,使薄膜具有良好的光学性能,适用于需要高透明度包装的产品,如食品、日用品等。
    劣势
    • 设备复杂:流延法的设备比较复杂,投资成本高。它需要高精度的挤出机、特殊的流延模头、冷却辊等部件,并且这些设备的维护和操作需要较高的技术水平。例如,流延模头的设计和制造精度要求很高,一旦出现故障,维修和调试的难度较大。
    • 产品拉伸性能差:相较于吹塑法,流延法生产的薄膜在拉伸性能方面稍差。由于其成型过程没有吹塑法那样在纵横两个方向上的拉伸作用,分子链的取向程度相对较低,所以在拉伸强度和韧性方面可能不如吹塑法生产的薄膜,后道加工上会面临挑战。
作为重要的加工方式之一,吹膜法全称应为挤出吹塑法,是把聚乙烯树脂经挤出机塑化后,在成型薄壁管模具中挤出,然后通入压缩空气,将其吹胀,同时通过牵引机架上的牵引辊夹紧纵向牵伸,风冷却环将冷风吹向膜外表面,使膜泡冷却,并在牵引膜泡周围空气中继续冷却下定型,被人字板压叠,最后卷曲切割成膜卷。
一般吹塑薄膜挤出成型一共有3种方案上吹法、下吹法、平吹法聚乙烯一般采用上吹法和平吹法。上吹法的示意如图1所示,这种生产线布置占地面积小,操作方便,泡管运行平稳,可生产大折径薄膜。
图1-挤出吹膜法的加工工艺
挤出吹膜的工艺参数
(1)螺杆 
聚乙烯吹膜机组的主机是单螺杆挤出机,生产吹塑薄膜的折径大小不同,挤出机的规格也不同。
螺杆分为加料段L1、熔融段(压缩段)L2、均化段L3。在螺杆总长L 中各段比例为:
目前采用的新型螺杆结构有:屏蔽型带销钉混炼型螺杆和波状型带销钉混炼型螺杆(表1)。
1-吹塑规格与螺杆规格关系
采用屏蔽型螺杆,当熔融物料经过熔融段后部至均化段上的屏障混炼段时,被分成多股料流进入该段的进料槽,熔料和粒度小于屏障间隙的未溶物料越过屏障棱进入出料槽。在剪切力作用下,塑化不良的小颗粒被熔融,并使进出料槽的物料做涡状环流运动进一步混合和均化。

波状螺杆段设在熔融段后半部至均化段上,物料在螺槽深度呈周期性变化的流道中流动,通过波峰时受到强烈挤压和剪切;流入波谷时,物料膨胀、松弛。因此,能促进不同组分和同一组分各部分物料的熔融和均化。

销钉混炼段设在均化段末端。在没有螺棱的螺杆芯轴表面按一定排列方式设置一定数量的销钉,能使熔料各部位流动方向发生变化,经过多次分流与汇合而达到充分混合与均化的要求。

(2)挤出温度 
从分子运动学角度来说,流动性好坏与内摩擦、扩散、取向等有关,温度对流动性有很大的影响。当温度升高时,体积膨胀,分子间相互作用减小,链段活动能力增加,流动性变好。HDPE挤出吹塑的温度通常为170~220℃。加工温度过低,熔体表面粗糙,但耐垂延性好;加工温度过高,表面光泽好,但型坯下垂严重,壁厚不均;芯模与口模温度应尽可能相同,芯模温度高时,型坯会向外翻卷,反之型坯向里翻卷。

(3)挤出速度 
挤出速度过快,会出现熔体波动及鲨鱼皮现象。而且挤出速度越大,型坯离模膨胀越大,型坯直径与壁厚也越大,若冷却不足则可能导致制品翘曲,而其中冷却时间因素往往大于冷却温度。将冷却时间延迟1~2s就有可能解决此问题。若夹断处破裂则表明温度过低,但也可能是合模速度太快造成的。鲨鱼皮现象与挤出速度有关,不适当的挤出速度会造成熔体破裂,可通过改变挤出速率进行调整。若连续挤出,生产上一般采取逐步降低挤出压力或放慢挤出速度的方法,直到制品恢复正常。

(4)吹胀比 
吹胀比是膜泡管直径与口模直径之比,实际上是薄膜横向拉伸的倍数,是挤出聚乙烯薄膜的一个关键工艺参数。吹胀比过低,则使薄膜在纵向(MD,顺着机器输出方向)方向有取向作用,通常导致游膜的横向物理性能如冲击强度、撕裂强度、耐穿刺强度、模量和韧性等下降;吹胀比过高,会使薄膜在横向(TD,垂直机器输出方向)方向有取向作用,从而导致薄膜的纵向物理性能下降。表4-9列出了几种聚乙烯的最佳吹胀比。
(5)牵伸比 
牵伸比是指吹胀冷却定型薄膜泡管,其牵引的速度与熔融态模坯从模具口被挤出速度之比。牵伸比大,成品膜的纵向拉伸强度要好些。一般薄膜的牵伸比为(4~6):1,HDPE膜的牵伸比还要更大些。

(6)口模间隙
口模间隙是指模具中的口模与芯棒装配后,两零件内径和外径的表面间距h。是制品厚度、吹胀比和牵伸值三者的乘积。一般LDPE的口模间隙为0.5~1.00mm,HDPE的口模间隙为1.20~1.50mm。

(7)吹气压力与速度
吹气同时起到吹胀与冷却的作用,吹气体积速度越大,则型坯吹气时间越短,可使制品壁厚均匀,但吹气速度过大,进气处易形成局部真空,容易造成制品瘪陷。

(8)模温和冷却时间
模具切口一般都采用强度较高的工具钢和轴承钢制成,因此截坯口部及底部必须有良好的冷却。模具温度过高则冷却不足,截坯口处制品容易变薄,制品收缩率太大从而引起脱膜变形和表面无光泽;反之如果温度过低,则截坯口急骤冷却,无延展性,其他部位变薄;若冷却时间足够长,模温对制品成型收缩率的影响将变小。如在潮湿的夏季,由于模温过低(低于露点),水气就会在模具表面凝结即模具发生“出汗”现象,虽然通过提高模具温度,延长冷却时间可以解决此问题,但影响生产效率,因此生产上一般可采取在模具周围设一个“围墙”,放入除湿器吸掉水分的方法以防止水气在模具表面凝结。
图2-收卷单元
素材来源 | 手思包材
技术顾问 | 王文盛博士
文章审核 | 江爱群
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