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塑料薄膜吹塑风环技术及薄膜厚度的控制

发布时间:2021年08月18日    点击:[0]人次

塑料薄膜吹塑风环技术及薄膜厚度的控制

对于塑料薄膜吹塑机械,风环是膜泡成型、冷却的重要组成部件,风环对薄膜厚薄均匀度和薄膜产量有极大的影响。

薄膜吹塑的冷却原理:塑料薄膜吹塑过程风环以风机产生的压力空气为冷却介质对膜泡吹胀区(即口模到冷凝线之间)进行冷却,当冷却空气通过风环以一定角度和速度吹向从机头挤出的膜泡时,高温的膜泡与冷却空气相接触,膜泡上大量的热量传递给空气并被带走,从而使膜泡得到冷却。

常用风环有单、双风口风环、真空室风环以及用于旋转机头的旋转风环。由于旋转机头的技术无法适应现代高质量要求的薄膜生产,旋转风环将与旋转机头一起淘汰(本文不作讨论)。多年来,科技工作者不断研究新的风环,取得喜人的成果,例如射流式双风口风环、可调薄膜厚薄的自动风环,对塑料加工行业是一种极大的贡献。

风环的构造、制造精度以及冷却气流的温度直接影响薄膜的厚薄均匀度、透明度、外观质量和物理机械性能。

风环主要由进气管、风环体、风口等部分构成。进气管用于连接风机进气,其进气方向有与风环中心轴线垂直、平行或倾斜三种。风环体有均匀分配、匀化气流,建立气压的作用,风环体主要有迷宫(图1)或多孔分流(图2)的结构,其入口气室的容积应比出口气室的容积大,有一定的气体压缩比,以确保气流量和气压的稳定。风口用于喷射压力气体,冷却膜泡,风口在上吹塑法能扶托、稳定膜泡,下吹塑法为刚出口模的高温熔体提供一定的冷却,提高口模处高温熔体的抗拉强度,保持膜泡不因重力的作用而拉断、破泡,保持膜泡稳定。风口气流速度为10~30m/s,流速误差不大于0.5~1m/s,才能满足要求较高的薄膜生产。为控制膜泡冷凝线高度和冷却速度,必须改变风口可利用螺纹副调节,大风环由于大型车床无法加工螺纹,可采用升降机构代替螺纹副调节风口。风口的调节量视吹塑设备大小而定,调节量通常为2~20mm。

早期的吹塑机械对薄膜厚薄均匀度和产量的要求不高,风环多为单风口结构,对mLLDPE、LLDPE、EVA的吹塑性能差,甚至无法正常成形膜泡。早期设计,风环直径与机头口膜直径的比为15~2,口膜直径小(大)取大(小)值,通常两者的直径差为100~300mm,口膜越大,其差值可以越大。尽管早期的风环构造简单,当结构庞大,对薄膜厚薄均匀度要求不高,为了膜泡的成形,风环体采用迷宫或多孔分流结构,以提高气压和气流分布的均匀度。风口的出风角β(图3)取40~60°,有利于气流稳定地托扶和有效地冷却膜泡;如果β太小,会引起膜泡飘动不稳,影响薄膜厚薄均匀度,甚至卡断膜泡;β太大,膜泡冷却气流不足,而且携带机头周围的热空气,使膜泡的冷却效果不良。

单风口风环的性能无法与多风口风环比较,双风口风环广泛应用于包装薄膜、拉伸薄膜、农地膜、土工膜等单层及多层共挤等薄膜的生产,对LDPE、LLDPE、mLLDPE、EVA、HDPE、PA、EVOH、PP、PVA等树脂均有良好的工艺适应性。多风口风环的风口数为2~3个,常用2个,称为双风口风环(图4),风口有可调和固定两种结构。

双风口风环在膜泡成型、冷却过程,内风口对刚挤出口模的管坯进行预冷却,同时消除口模附近的真空区,确保膜泡正常成型的气垫层,使膜泡不粘附风环内壁,使熔融管坯初始吹胀及初始拉伸时得到一定的冷却,有利于提高熔体强度和薄膜的物理机械性能;外风口气体流量大,起着快速冷却膜泡的作用,上吹法风环的外风口同时起着托扶膜泡的作用。大型风环的两个风口容易设计成大小可调的型式,小型风环由于空间的限制,一般内风口是固定不可调整的,只有外风口的大小可调;小型的风环也有内外风口都设计为可调的结构,但是,当膜泡成形后外风口能够调整,而内风口没有调整的位置,所以要调整内风口,一是膜泡吹塑前,二是破断膜泡重来。风环的气流应具有合适的流量、压力及均匀度,才能保证薄膜厚薄均匀。有的小型风环设计有调心装置,目的是克服和减小膜泡环境气流差异以及补充风环加工精度不足等不利的因素,以矫正膜泡,减小薄膜厚薄误差。双风口风环内风口的出气量一般占吹塑时总气量的10~20%,外风口占80~90%。一旦调整风口时,气量的变化相当明显。

现在,稍有档次的吹塑机械都配置双风口风环,单风口风环几乎不使用。当挤出量到达一定的程度,常规风环和风机在膜泡吹塑过程会产生“坠膜”现象,因而无法适应大挤出量膜泡的冷却要求,从而限制薄膜产量的提高,为了在不增大风机功率和风量的前提下,有效提高膜泡冷却效果和薄膜产量,可以在双风口风环上增加射流环,这种风环称为射流式双风口风环(图5)。射流环安装在外风口的外唇上面,高度可以通过螺纹副进行调节。当膜泡接近射流环时,由于膜泡塑过程气流在环内与膜泡之间运动,环内气流由风机产生,气压大,流速快,环外为环境自然气流场,气压小,流速慢,造成环内气流出现射流效应(图6),把环外的自然空气通过射流环的进气孔强行吸入环内,从而增大环内的气流量,提高风环的冷却能力,并达到一定的节能效果。因为风环气流的温度对膜泡的冷却速度有极大的影响,如果风环所用的常温空气通过强制制冷降温到15~18℃,同时结合IBC膜泡内冷系统以15~18℃的制冷空气连续冷却膜泡内壁,薄膜的产量能提高30%以上,尤其是炎热的夏天,对膜泡冷却空气实施制冷更有必要,而且这是技术发展的必然趋势。

现代对薄膜生产不仅要求产量高,对薄膜厚薄均匀度的要求应高,国外一些塑机公司为了提高薄膜厚薄均匀度,通过在线自动薄膜厚度检测系统对薄膜的厚度检测并自动反馈控制带有热膨胀螺钉的自动调节机头口模的方式,人们称为自动机头。可是热惯性的作用使系统调节的反应速度迟钝,控制的响应速度至少10min以上,难以达到理想的目的。

继而,人们利用气流温度对膜泡冷却速度有影响的特性,巧妙地把风环等分为一定的区数,在等分区域中安装加热器,通过在线薄膜厚度自动检测系统对薄膜厚度的监控,利用计算机对厚薄点所对应区域的加热器进行加热。当膜泡某一区域的厚度较厚时,该区域加热,气流温度升高,膜泡对应区域受热气的作用,冷却速度下降,延长该区域薄膜冷却的时间,吹胀时间延长,使薄膜厚度变薄,从而达到自动调节薄膜厚薄均匀度的目的。但是,利用加热气体的反应速度依然存在控制滞后的问题。也有在风环安装热膨胀螺钉,同样利用薄膜在线厚度自动检测系统对薄膜厚度进行监控,通过热膨胀螺钉的热胀冷缩效应控制风环局部的开启度,控制局部气流量的变化,达到自动控制、调节薄膜厚薄均匀度的目的。这两种做法在技术上确实有明显的进步,目前不少欧美进口的吹塑机械也大量采用这两种技术,然而,这两种技术依然未能摆脱热惯性反应速度迟钝的影响。

我们与国外知名塑胶公司一样,在追求薄膜的高产量,能耗低,精确的薄膜厚薄均匀度,尽管对机头和风环的结构设计十分讲究,加工精度也很高,仍然无法达到薄膜均匀度±3~4%的水准,这个百分比指标与流延机械的薄膜均匀度没有什么差别,可是在吹塑机械上实现自然不那么简单,经过与国外著名塑机控制公司技术交流,我们找到达到薄膜均匀度±3~4%的途径,那就必须在吹塑设备上配置精确的喂料、薄膜厚度自动检测、自动风环以及计算机控制等系统。因此我们引进德国这一新型系统,这个系统称薄膜厚度自动控制系统(图7),该系统技术处于全球领先地位,代表目前全球的新技术和发展方向,系统能把薄膜厚薄均匀度在吹塑机械原有基础上提高50%,即薄膜厚薄均匀度从±6~8%提高到±3~4%,采用自动风环技术冷却、控制薄膜厚薄均匀度,能耗小,不影响机头的温度。自动风环是薄膜厚度自动控制系统的重要组成部分。自动风环为射流式双风口风环,由风环体、内外风口、射流环、自动风门等零部件组成。风环所用的冷却介质是常温空气或经制冷的恒温空气。风环体根据风环直径大小均匀地分隔成若干个独立的风道,每个风道都设置有能够实施自动调节开启度的独立风门。整个系统的工作原理:膜泡成形后,薄膜厚度自动检测系统对膜泡进行在线连续巡回检测,同时把检测的信息传输给计算机进行数据处理,当检测到薄膜某区域出现厚道(薄)时,计算机能及时地分析、判断、反馈、处理所检测的数据,控制执行机构关小(工大)出现厚道(薄)相应区域的风门,减小(增大)该区域风门的冷却气量,减弱(加强)该区域薄膜的冷却速度,延长(缩短)局部薄膜吹胀拉伸的时间,使区域的薄膜厚度变薄(厚),最终获得厚薄极其均匀的薄膜制品。薄膜厚度自动控制是一个动态的过程,薄膜各点的厚度数据能够在计算机储存,厚度曲线可以在计算机的界面上以直角座标或极座标的形式显示出来,并能通过打印机对厚度分布曲线进行打印,以随时监控生产情况。由于系统不存在热惯性的困扰,加上电子元器件的反应特别灵敏,速度都以ms(毫秒)级来计,因此系统控制的响应速度极快,控制、调节薄膜厚度可以说是立竿见影,水到渠成。一点要注意的是,薄膜厚度自动检测系统的测厚传感器的选用必须讲究,当被测薄膜为聚烯烃等非极性材料时,可选择电容式等测厚传感器,当被测薄膜为PA、EVOH等极性材料时,应选择空气或红外线等测厚传感器。测厚传感器工作时必须与膜泡或薄膜处于相对的运动状态,可根据吹塑设备的具体结构安装在人字板之上或在第一牵引装置之后,也可通过扫描架安装在膜泡上。

除了上述所作的工作以外,人们在风机及空气净化方面作了很多的有价值的事情。以往风机气量的调节采用薄壁钢板制作阀门(例如:快门等结构形式),存在噪声大等问题,现在采用变频器调节风机的转速,甚至通过计算机集中控制,以稳定地调节和控制风环吹气量和气压大小,达到气量控制量化以及噪声小的目的。有些进口设备为了

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