李浩

( 廣東金明精機(jī)股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

薄膜吹塑是將物料塑化擠出后吹脹成型，再經(jīng)冷卻、牽引、卷曲得到產(chǎn)品的過(guò)程[1]，隨著吹塑薄膜在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品包裝，軍工產(chǎn)品等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)對(duì)薄膜的性能和質(zhì)量的要求越來(lái)越高。為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，原料生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷推出不同性能的塑料原料，促使薄膜生產(chǎn)廠(chǎng)家不斷推出新配方、新工藝，同時(shí)確保其制品在滿(mǎn)足使用性能等要求的條件下盡量薄型化，以減少塑料樹(shù)脂的消耗；而吹塑裝備生產(chǎn)廠(chǎng)家則對(duì)技術(shù)不斷進(jìn)行優(yōu)化、提升，以獲得更好的制品性能、質(zhì)量和更高的產(chǎn)量。以熱收縮薄膜為例，熱收縮膜的吹膜法隨著薄膜應(yīng)用領(lǐng)域的細(xì)分，逐漸發(fā)展為單泡法、雙泡法和三泡法。普通吹膜生產(chǎn)工藝屬于單泡法，采用3、5 層共擠生產(chǎn)工藝，加工的材料以L(fǎng)DPE、LLDPE 和HDPE 為主，通過(guò)空氣冷卻，吹脹比一般在3～4 左右，薄膜的厚度通常為0.04～0.12 mm，薄膜的熱收縮率為15%～30%，由于空氣冷卻效率較低，薄膜的透明度不高，因此單泡法生產(chǎn)的產(chǎn)品主要用于產(chǎn)品物流中的包裝，如啤酒、礦泉水、塑料瓶裝飲料的集合包裝，日用電子產(chǎn)品的外包裝等。雙泡法主要應(yīng)用于POF 薄膜的生產(chǎn)中。它是將LLDPE作為中間層，共聚PP 作為內(nèi)、外層，通過(guò)三、五層共擠，采用下吹水冷生產(chǎn)第一膜泡，通常的管胚厚度為0.25～1 mm，然后再將管胚加熱到材料的軟化點(diǎn)后進(jìn)行第二次的吹脹和拉伸，吹脹和拉伸比例高達(dá)5.8倍，薄膜的厚度通常變薄為0.008～0.03 mm，通過(guò)工藝配方的控制，薄膜的收縮率可以達(dá)到70% 以上，除了較高的收縮率外，薄膜的透明度高，并且符合包裝材料薄型化行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。POF 薄膜的主要應(yīng)用領(lǐng)域是一些小包裝的制品，例如：碗面的外包裝膜、消毒餐具膜，盒帶和錄像帶等產(chǎn)品。隨著熱收縮膜在食品中，特別是冷鮮肉中的應(yīng)用，三泡法熱收縮膜生產(chǎn)工藝應(yīng)運(yùn)而生。由于鮮肉制品對(duì)薄膜包裝的阻隔性和熱收縮穩(wěn)定性要求高，熱收縮使用溫度低，阻隔性能佳，普通雙泡法不能生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品。

1 三泡法吹塑成型是高性能熱收縮膜生產(chǎn)工藝方法

三泡法主要應(yīng)用于聚乙烯+ 聚酯+ 乙烯- 乙烯醇共聚物共擠的薄膜的生產(chǎn)中，通常采用7、9、11、13層共擠，是最近十五年興起的薄膜成型方法，它是在二泡法的基礎(chǔ)上增加第三膜泡定型的生產(chǎn)工藝。帶阻隔型的樹(shù)脂和聚乙烯由環(huán)形固定機(jī)頭擠出厚壁管狀膜胚，膜胚立即被水冷卻并定徑，形成第一膜泡，膜泡夾扁后經(jīng)各牽引夾輥以穩(wěn)定的速度和壓力夾持牽引及恒張力控制進(jìn)入烘箱加熱使膜胚達(dá)到合適的吹脹工藝溫度，熱管胚在第二（慢速）和第三（快速）牽引夾輥以穩(wěn)定的速度差（2.7～3 倍）拉伸牽引以及壓縮空氣作用下使膜胚沿軸向拉伸、徑向膨脹形成第二膜泡，由于牽伸比和吹脹比基本一致，便產(chǎn)生縱、橫向熱收縮率接近的熱收縮薄膜，然后薄膜再以穩(wěn)定的速度，通過(guò)壓力夾持牽引及恒張力控制進(jìn)入塔頂上的第四牽引和牽引下方的紅外加熱烘箱，吹氣加熱形成第三膜泡，膜泡被均勻加熱消除內(nèi)應(yīng)力后再被第五牽引夾緊進(jìn)入人字板導(dǎo)引展平，通過(guò)電暈等后處理工藝最終被收卷。第三膜泡熱定型工藝是調(diào)控薄膜的收縮率的關(guān)鍵點(diǎn)。例如：收縮率15% 的薄膜用于香腸外包；收縮率30%～70% 的薄膜用于收縮袋；收縮率低于5% 的薄膜用于蓋帽。 三泡法生產(chǎn)裝備的技術(shù)集成度較高，例如：多層閉環(huán)流量和壓力智能控制擠出塑化系統(tǒng)，緊湊型多層共擠機(jī)頭，薄膜生產(chǎn)過(guò)程多工位多參量的精密閉環(huán)控制等等，本文重點(diǎn)講述遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置在三泡法吹塑工藝中的創(chuàng)新應(yīng)用，三次工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 三泡工藝流程圖

2 遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置

三泡法成型、高性能熱收縮薄膜裝備，我國(guó)起步較晚，并且由于市場(chǎng)規(guī)模相對(duì)于單泡法和雙泡法要小，企業(yè)研發(fā)投入不足，因此國(guó)產(chǎn)裝備大多數(shù)還停留在五、七層共擠，生產(chǎn)薄膜寬度范圍從110～550 mm，日產(chǎn)量只有500～1 000 kg，設(shè)備產(chǎn)量低、自動(dòng)化程度低、能耗高，而國(guó)外，同類(lèi)設(shè)備已做十一層共擠甚至十三層共擠，最大幅寬超過(guò)2 000 mm，最大產(chǎn)量400 kg/h 以上。在國(guó)內(nèi)，三泡管法生產(chǎn)工藝很難實(shí)現(xiàn)寬幅高速生產(chǎn)，卡脖子的難題是第一膜泡的快速冷卻，膜泡冷卻是限制薄膜產(chǎn)量的重要因素[2]，也影響生產(chǎn)過(guò)程中膜泡穩(wěn)定性和最終產(chǎn)品質(zhì)量，國(guó)產(chǎn)設(shè)備普遍采用普通自溢式水環(huán)來(lái)冷卻厚管胚，即使采用真空定徑冷卻技術(shù)，也僅用于真空度容易控制的小型設(shè)備，例如：腸衣膜，熱收縮袋生產(chǎn)設(shè)備等。

普通自溢式水環(huán)（見(jiàn)圖2），通常采用鋁合金制作，是由水室、隔套、水套，掛水紗布四個(gè)部分組成。高溫熔體在水套入口和冷卻水接觸后被冷卻，冷卻水在重力作用下沿管胚垂直往下流，由于要承受薄膜的自重和掛在膜上水的重量，通常在水環(huán)的出口掛紗布以增加摩擦，防止管胚下墜，因此水的重量和管胚的重量不能太大，否則膜泡掛不住會(huì)墜膜。普通自溢式水環(huán)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，在下吹薄膜機(jī)組和POF熱收縮膜機(jī)組上應(yīng)用普遍。三泡法加工配方中PA 含量38%～50%，PA 的熔點(diǎn)230 ℃，熔體溫度≥250 ℃，熔體強(qiáng)度弱并且PA 容易結(jié)晶，結(jié)晶后就無(wú)法穩(wěn)定吹脹拉伸，因此需要在1.2～2 s 內(nèi)將0.2～0.6 mm 厚的管胚冷卻定型，熔體從250 ℃驟降到17 ℃，這一關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)靠傳統(tǒng)自溢式水環(huán)是無(wú)法解決的。例如：在POF 熱收縮膜生產(chǎn)中，定徑套內(nèi)徑Φ300 mm，普通自溢式水環(huán)最大水流量4 m3/h，三泡生產(chǎn)中最大水流量需24 m3/h，如此大的水流量對(duì)管胚的沖擊非常大，因此需要讓管胚在一個(gè)特定的環(huán)境下受沖擊并保持形狀的穩(wěn)定。

圖2 普通自溢式水環(huán)

創(chuàng)新應(yīng)用的遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置，它依據(jù)三泡法加工材料的熔體特性，發(fā)明了一級(jí)預(yù)冷、二級(jí)強(qiáng)冷、三級(jí)噴淋冷卻，四級(jí)排水，內(nèi)部形成真空的定直徑冷卻裝置。圖3 是遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置照片，配套在廣東金明公司生產(chǎn)的MS9R-1800Q-C 三泡法吹塑成型九層共擠高性能熱收縮膜成套裝備上，該裝備水環(huán)內(nèi)徑Φ300 mm，第一膜泡折徑463 mm，第一膜泡最大機(jī)械線(xiàn)速度50 m/min, 第一膜泡測(cè)試最大產(chǎn)量450 kg/h，第二膜泡最大機(jī)械線(xiàn)速度200 m/min, 第二膜泡測(cè)試折徑1 450 mm，第三膜泡熱定型后的折徑1 430 mm, 是目前國(guó)產(chǎn)幅寬最寬，單機(jī)產(chǎn)能最大的九層共擠高性能熱收縮膜成套裝備, 該裝備于2020 年11 月通過(guò)中國(guó)塑料機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)科技成果鑒定，鑒定委員會(huì)一致認(rèn)為，該裝備屬?lài)?guó)內(nèi)首創(chuàng)，整體技術(shù)處于國(guó)際先進(jìn)水平，可替代進(jìn)口同類(lèi)設(shè)備。

圖3 遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置

遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置安裝在9 層共擠機(jī)頭的正下方，和機(jī)頭體同軸線(xiàn)，高度約1.2 m，遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置由電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)、噴淋室、水環(huán)、供回水系統(tǒng)、膜泡自動(dòng)補(bǔ)氣裝置、抽真空裝置六部分組成。熔體進(jìn)入冷卻裝置后，冷卻水量隨熔體強(qiáng)度遞增而遞增，在1.2～2 s 內(nèi)將管胚冷卻。各級(jí)功能如下：一級(jí)預(yù)冷并形成水封，水封的目的是防止空氣進(jìn)入冷卻裝置，保證膜泡的穩(wěn)定；二級(jí)強(qiáng)冷時(shí)大流量水沿管胚順流而下；三級(jí)噴淋冷卻，64 個(gè)噴頭向管胚噴水，提高熱交換，由于噴頭噴出的水呈霧狀，增加了分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，冷卻效率大幅度提升；第四級(jí)為排水，將管胚表面的水排干。

電動(dòng)升降裝置主要功能是方便操作，開(kāi)機(jī)前將遞進(jìn)式真空定徑冷卻水環(huán)降低，清理口模并引膜，開(kāi)機(jī)后再將水環(huán)升起，水環(huán)入口距離口模約200 mm，縮短管胚到水環(huán)的距離，避免熔體在空氣中停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)造成結(jié)晶。

噴淋室主要功能是在管胚的入口和出口利用水封形成封閉空間，保證空氣無(wú)法進(jìn)入，在噴淋室內(nèi)分布有64 個(gè)噴頭，圍繞管胚噴水，由于噴淋室處于抽真空負(fù)壓狀態(tài)，真空度通常為-1 kPa，水環(huán)第二入水口冷卻水和噴淋的冷卻水保持一個(gè)較穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)高度，通常為5～10 cm, 見(jiàn)圖4。

水環(huán)主要起冷卻定型作用，雙出水結(jié)構(gòu)，為減小摩擦阻力，水環(huán)采用銅合金制作而成，從圖3 可以看出，為保證水環(huán)出水均勻，供水口采用多管道結(jié)構(gòu)，水環(huán)的兩個(gè)出水口單獨(dú)控制流量。

圖4 遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置的入口和出口

供回水系統(tǒng)、膜泡自動(dòng)補(bǔ)氣裝置，抽真空裝置對(duì)第一膜泡的穩(wěn)定性起到非常關(guān)鍵的作用。由于管胚需要貼緊水環(huán)，就需要保證管胚直徑誤差小于1 mm，膜泡自動(dòng)補(bǔ)氣裝置采用光纖傳感器檢測(cè)膜泡大小，信號(hào)反饋給SMC 伺服比例電動(dòng)閥，電動(dòng)閥進(jìn)排氣，保證膜泡穩(wěn)定。抽真空裝置主要保證管胚圓形貼緊水環(huán)內(nèi)壁，即使在受到水的沖擊時(shí)管胚的形狀保持不變。

3 遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置的應(yīng)用領(lǐng)域拓展

遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置的研發(fā)，不僅解決了三泡管法生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)寬幅高速生產(chǎn)的難題，并且成功應(yīng)用到廣東金明公司生產(chǎn)的POF 熱收縮膜機(jī)組，提高了設(shè)備的產(chǎn)能，MS5R-3600Q-C5 層共擠POF 熱收縮膜提產(chǎn)為例，該機(jī)組生產(chǎn)折徑3 400 mm 的POF 熱收縮膜，幾年前采用普通自溢式水環(huán)，機(jī)組最高產(chǎn)量450 kg/h，如今采用遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置，機(jī)組最高產(chǎn)量600 kg/h，提產(chǎn)33%，同時(shí)遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置具有的抽真空排水的功能，能將管胚表面的水處理干凈，減少了普通自溢式水環(huán)需要外加風(fēng)刀除水，夾輥除水等環(huán)節(jié)，生產(chǎn)更加便捷，由此可見(jiàn)單項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用的重要性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文探討了遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置的工作原理和創(chuàng)新應(yīng)用，是筆者近年來(lái)從事雙泡、三泡管法吹塑成型工藝研發(fā)工作的心得體會(huì)。筆者還認(rèn)為：遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置可分為兩個(gè)技術(shù)單元來(lái)研究并實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用。一個(gè)是遞進(jìn)式冷卻技術(shù)單元，只要匹配好遞進(jìn)式冷卻增量和熔體強(qiáng)度提升的關(guān)系，冷卻過(guò)程隨著熔體溫度的下降，熔體強(qiáng)度的提升，逐漸增加冷卻介質(zhì)流量，增加冷卻空間，冷卻效率就會(huì)有較大幅度提升，該技術(shù)單元在上吹風(fēng)冷工藝中也在創(chuàng)新應(yīng)用，風(fēng)環(huán)從過(guò)去的單風(fēng)口，雙風(fēng)口創(chuàng)新到三風(fēng)口，四風(fēng)口，冷卻效率提升50% 以上。例如，廣東金明公司生產(chǎn)的5 層共擠FFS 重載包裝膜生產(chǎn)線(xiàn)[3]，口模直徑Φ180 mm，生產(chǎn)折徑550 mm、厚度0.16 mm 的薄膜，最高產(chǎn)量達(dá)到470 kg/h，產(chǎn)量是以前配套雙風(fēng)口風(fēng)環(huán)生產(chǎn)線(xiàn)的兩倍。另一個(gè)是真空定徑技術(shù)單元，該單元的最大創(chuàng)新點(diǎn)是定膜泡尺寸并除水，消除薄膜自重和冷卻水重量對(duì)熔體膨脹變形的影響，將該技術(shù)應(yīng)用到下吹薄膜生產(chǎn)工藝中，薄膜的折徑可以從過(guò)去1.2 m 拓寬到1.5 m，并且可采用滾動(dòng)式人字夾板，提升薄膜的平整度，由此可見(jiàn)創(chuàng)新的重要性。

圖5 遞進(jìn)式真空定徑冷卻裝置在POF 機(jī)組上的應(yīng)用