Технология производства пленки полиэтиленовой: Производство полиэтиленовой плёнки: оборудование (экструдер), технология изготовления

Главная страница • Ресурсы • Информационные документы • Основы технологии экструзии литой пленки

Процесс экструзии литой пленки набирает все большую популярность и пользуется устойчивым ростом во всем мире. Новые линии устанавливаются в значительном количестве, и сегменты рынка, на которые проникает эта технология, растут. В этой статье определены основные компоненты экструзионной линии для производства литых пленок и представлены фундаментальные аспекты, которые необходимо учитывать при подходе к технологии производства литых пленок.

Применение литой экструзии

Литые пленки используются для упаковки продуктов питания и текстиля, цветочной упаковки, в качестве защитной пленки для страниц фотоальбомов, в качестве подложки для покрытия в процессах экструзионного покрытия или ламинирования с другими материалами при формировании более сложных пленок, среди прочего. Как правило, процесс отливки пленки включает использование соэкструзии, которая представляет собой одновременную экструзию двух или более материалов из одной головки для формирования многослойной пленки. Это связано с тем, что во многих случаях окончательное нанесение пластиковой пленки требует характеристик, которых невозможно достичь, если пленка состоит только из одного материала. Например, во многих случаях для упаковки пищевых продуктов требуется использование пленок с кислородонепроницаемыми свойствами. Чтобы удовлетворить требования, материал с высоким барьером для кислорода, такой как EVOH, сочетается с полиолефиновыми материалами в многослойной структуре. Соэкструдированные пленки обычно содержат до семи слоев; однако использование большего количества слоев становится все более распространенным. Количество слоев, их положение в соэкструдате и их индивидуальная толщина — все это переменные, которые меняются в зависимости от конкретного применения пленки.

Преимущества/ограничения литой экструзии

В отличие от процесса экструзии пленки с раздувом, охлаждение пленки при экструзии литья является очень эффективным. Это позволяет повысить скорость производственной линии, что приводит к более высокой производительности с превосходными оптическими свойствами продукта. Степень вытяжки и ориентации значительно ниже в процессе производства пленки, чем в процессе производства пленки с раздувом. По этой причине распределение толщины

в поперечном направлении машины является более однородным с процессами литья (с отклонениями, которые могут составлять всего ± 1,5%). Однако механические свойства пленки в поперечном направлении машины ниже по сравнению со свойствами, полученными в процессе производства пленки с раздувом, из-за более высокого уровня ориентации, которую пленка испытывает в процессе раздува.

При литой экструзии края пленки обрезаются из-за неравномерности размеров и/или плохого распределения слоев. В результате процесс может быть нарушен, если обрезанный материал не может быть переработан. Новейшая технология систем с плоскими головками свела к минимуму эту проблему, значительно сократив количество отходов в процессах соэкструзии. Эта тема будет частично освещена в следующем разделе.

Основные концепции экструзии литья под давлением

В процессе экструзии литой пленки расплавленный полимер проходит через систему плоской головки, чтобы принять окончательную форму плоской пленки. Система матрицы состоит из головки и блока подачи (если процесс требует соэкструзии) или просто головки, если процесс представляет собой процесс однослойной экструзии.

Процесс начинается с подачи пластиковых смол с помощью гравиметрической системы подачи в один или несколько экструдеров. Затем материалы расплавляются и смешиваются экструдерами, фильтруются и подаются в головную систему.

Сразу после выхода из головки расплавленная завеса поступает в блок охлаждения, где ее температура понижается с помощью охлаждающего вала с водяным охлаждением, чтобы «заморозить» пленку. Затем пленка проходит вниз по течению, где обрезаются края, применяется обработка коронным разрядом (если требуется такой производственный процесс, как печать или покрытие), и пленка сматывается в рулоны. Ниже представлено описание основных компонентов типичной линии по производству литой пленки.

Компоненты линии литья пленки

Гравиметрическая система подачи

Гравиметрические системы подачи контролируют количество материала, подаваемого в экструдеры, по весу, а не по объему. Система более точна, чем ее объемный аналог, и имеет уменьшенную погрешность порядка ± 0,5%. Во многих случаях пленка изготавливается из материалов, представляющих собой смеси базового полимера с одним или несколькими вторичными компонентами. На современных производственных линиях это смешивание осуществляется в режиме реального времени.

Необходимо соблюдать особую осторожность, чтобы предотвратить преждевременное плавление гранул, особенно при обработке материалов с низкой температурой плавления или при небольшом размере гранул. Для решения этой проблемы рекомендуются вибрация и охлаждение загрузочных бункеров. Также важно убедиться, что подаваемый материал не содержит влаги, которая может привести к появлению мелких пузырьков, также известных как «рыбьи глаза», на готовой пленке. В некоторых случаях требуется сушка материала. Это может выполняться отдельной установкой или сложной системой подачи со встроенными функциями сушки.

Экструдер

Основные функции экструдера заключаются в расплавлении пластиковых гранул и смешивании полученного расплавленного полимера для получения однородного расплава. Это делается путем перемещения материала по нагретой бочке с помощью вращающегося шнека. Цилиндры экструдеров, используемых в коммерческих целях, обычно имеют диаметр от 3½ дюймов (90 мм) до 6 дюймов (150 мм). Шнеки адаптированы к конкретным характеристикам экструдируемых материалов и параметрам процесса. На длину винта сильно влияет их диаметр. Отношение длины винта к диаметру (L/D) обычно находится в диапазоне от 26:1 до 30:1.

Крайне важно обеспечить, чтобы поток, выходящий из экструдера, хорошо контролировался и был постоянным, а колебания скорости вращения шнека не превышали ±1%. Отсутствие точного контроля скорости шнека обычно приводит к нежелательным пульсациям потока, которые могут вызывать периодические изменения толщины пленки в направлении машины.

Дозирующая секция или конечная секция экструдера спроектирована таким образом, чтобы гарантировать точное дозирование материала из экструдера. Для достижения вышеуказанного зазор между винтом и стволом очень мал. Это создает еще одну проблему, поскольку трудно поддерживать постоянный зазор между вращающимся винтом и цилиндром.

Чтобы преодолеть вышеупомянутые потенциальные проблемы, после экструдера обычно используют насос расплава. Насос представляет собой объемное устройство, обеспечивающее равномерный поток независимо от давления нагнетания экструдера (рис. 2 и 3). Насос снижает нагрузку на экструдер, беря на себя работу по созданию давления. Пониженное давление на головке экструдера приводит к экономии энергии, снижению температуры расплава и меньшему износу между цилиндром и шнеком.

В линиях коэкструзии количество экструдеров зависит от количества экструдируемых материалов, а не обязательно от количества слоев. Это связано с тем, что существующая технология блока подачи позволяет разделить поток из одного экструдера на два или более слоев в конечном соэкструдате.

Система фильтрации

Целью системы фильтрации является предотвращение прохождения вниз по течению примесей расплава и/или гелей, которые образуются в процессе экструзии. Надлежащий контроль на этом этапе необходим для предотвращения загрязнения расплава. Наиболее распространены фильтры с металлической сеткой. Корпус, в котором размещается фильтрующий материал, должен выдерживать силы, создаваемые потоком полимера при воздействии на него максимального давления, допустимого в процессе экструзии.

Настоятельно рекомендуется использовать устройства непрерывной смены сит, в которых сетка непрерывно регенерируется, чтобы свести к минимуму время замены пакета сит.

Система с плоской матрицей

Можно сказать, что система головок является сердцем любой коэкструзионной линии. Система матрицы состоит из блока подачи соэкструзии, плоской головки и адаптеров для переноса расплава, которые транспортируют различные расплавленные полимеры из экструдеров к входным отверстиям блока подачи. Качество соэкструдированной пленки и производительность процесса в значительной степени зависят от конструкции и эксплуатационных качеств системы экструдера.

Основная функция системы фильеры состоит в формировании многослойной пленки, равномерно распределенной по ширине фильеры с вариациями толщины пленки и вариациями толщины каждого отдельного слоя в пределах принятых в отрасли допусков (не более ±2,5% для общей толщины и в пределах от ±15 до ±20% для каждого слоя).

Перед блоком подачи находятся переходники для переноса расплава. Критерии проектирования этой капиллярной системы должны учитывать такие параметры, как время пребывания материала, перепад давления и контроль температуры. Например, чрезмерный перепад давления можно решить, увеличив диаметр трубы; однако это, в свою очередь, увеличило бы время пребывания материала и увеличило бы возможность его деградации. Кроме того, точный размер толщины стенки и соответствующие характеристики нагревателя необходимы для предотвращения нагревания или охлаждения трубами расплавов, которые они транспортируют. Задача дизайнера — найти правильный баланс между всеми этими переменными.

Блок подачи соэкструзии упорядочивает различные потоки расплава в заданной последовательности слоев и генерирует столько потоков расплава, сколько слоев должно быть в конечном соэкструдате. Как только это сделано, каждый поток принимает плоскую геометрию, встречается с соседними слоями и формируется окончательный плоский соэкструдированный продукт.

Фидблоки для коэкструзии делятся на две категории: блоки с фиксированной и переменной геометрией. В верхней части этих блоков находится так называемая селекторная пробка или селекторный золотник. Эта съемная часть цилиндрической формы отвечает за направление каждого потока расплава в его конечное положение в соэкструдате. Пробка, если требуется, также разделяет эти потоки с материалом, питающим более одного слоя конструкции. Если требуется другая последовательность слоев, это можно сделать, просто заменив заглушку.

Блоки с фиксированной геометрией наиболее эффективны, когда производственная линия предназначена только для нескольких различных продуктов, сходных по своим реологическим свойствам. Однако стоит отметить, что эти блоки имеют съемные проточные вставки, которые могут быть обработаны или заменены, если требуется обработка более широкого спектра материалов.

Блоки подачи с изменяемой геометрией идеально подходят для совместной экструзии материалов с высокой добавленной стоимостью или когда объем производственной линии более разнообразен. Как правило, эти блоки имеют подвижные внутренние компоненты, которые могут регулировать распределение ширины отдельного слоя до встречи с соседними слоями и/или его скорость, что, в свою очередь, влияет на его скорость сдвига и вязкость. Таким образом, проблемы, присущие соэкструзии, такие как искажение слоя и нестабильность поверхности раздела, могут быть преодолены с помощью регулировки блока подачи.

Несмотря на все возможности технологии блока подачи соэкструзии для устранения аномалий потока, присущих потокам соэкструзии, производство оптимального соэкструзионного продукта возможно только в том случае, если блок подачи работает в сочетании с головкой, задуманной и должным образом спроектированной для обработки потока соэкструзии. Идеальная синергия между головкой и блоком подачи гарантирует высокое качество продукта.

Хорошо спроектированная головка должна гарантировать, что в процессе распределения соэкструдата, поступающего из питающего блока, плоскостность каждого отдельного слоя сохраняется в пределах допуска от ±15 до ±20%. Он также должен быть разработан таким образом, чтобы время пребывания не было чрезмерным, чтобы предотвратить проблемы деградации или, в некоторых случаях, предотвратить нежелательный перенос тепла между слоями. Головка также должна быть сконструирована таким образом, чтобы падение давления поддерживалось на уровне, нормальном для процесса экструзии.

Также очень важно, чтобы матрица имела соответствующий размер, достаточную массу стали и надлежащую механическую конструкцию, чтобы гарантировать термическую стабильность и свести к минимуму так называемую проблему расщепления, которая проявляется в чрезмерной деформации кромок матрицы, когда матрица подвергаются воздействию высокого давления, характерного для экструзии тонких пленок.

Недавние достижения в технологии изготовления штампов повысили производительность линий по производству литой пленки. Особо следует упомянуть так называемые внутренние декели. Декели, вставленные с обоих концов матрицы, позволяют изменять ширину пленки и, как следствие, уменьшать обрезки. Они могут быть фиксированными или регулируемыми, а их длина может превышать 20 дюймов.

В последнее время была внедрена технология инкапсуляции краев, чтобы уменьшить негативное финансовое воздействие отходов материалов, возникающих, когда обрезки соэкструдата не подлежат вторичной переработке. На предыдущем рисунке показана полоса из одного материала, соэкструдируемого бок о бок с соэкструдатом. Инкапсулирующий материал имеет низкую стоимость, пригоден для повторного использования и обладает высокими механическими свойствами. Инкапсулирующий материал в основном образует отделку, что позволяет повторно вводить его в производственный процесс и значительно экономить на материальных затратах. Кроме того, технология инкапсуляции краев полностью совместима с технологией внутреннего декеля.

Блок охлаждения

Блок охлаждения состоит из первичного закалочного вала, вторичного вала, моторизованной системы позиционирования валков для правильного вертикального и поперечного выравнивания валков и, во многих случаях, вакуумной камеры и/или воздушного ножа.

Валки обычно хромируют для улучшения качества поверхности и улучшения процесса теплопередачи при пленочном охлаждении. Охлаждающим агентом обычно является вода, циркулирующая внутри валков. Первичный закалочный вал охлаждает одну сторону пленки, а вторичный вал охлаждает противоположную сторону пленки.

Матрица располагается над первичным закалочным валком под углом от 45° до 90°. Расстояние между выходом кромки матрицы и валком составляет от 0,8 до 2 дюймов.

Система охлаждения позволяет линии работать на высоких скоростях. По мере увеличения требований к скорости линии увеличиваются и диаметры, указанные для валков.

Валки должны быть идеально выровнены с полотном, чтобы гарантировать равномерное натяжение и свести к минимуму колебания толщины по ширине пленки. Кроме того, необходимо хорошо контролировать угловую скорость валков, чтобы предотвратить колебания толщины пленки в направлении машины.

Использование вакуумной камеры, соединенной с неподвижным корпусом штампа, необходимо в некоторых случаях, таких как литой полипропилен, где требуется более эффективное охлаждение. Полипропиленовые материалы, если их не охлаждать агрессивно, имеют тенденцию образовывать кристаллы, которые в конечном итоге приводят к образованию мутных пленок.

Вакуумная камера удаляет захваченный воздух между поверхностью первичного закалочного вала и пленкой, чтобы свести к минимуму воздушный барьер между горячим полотном и валом. Этот воздушный барьер, если его не уменьшить, действует как теплоизоляционная подушка, препятствующая процессу пленочного охлаждения. Коробка также уменьшает сужение пленки и воздушный зазор и позволяет использовать более высокие скорости линии.

Вакуумную коробку можно комбинировать с воздушным ножом или воздушной камерой для дальнейшего улучшения охлаждения полотна.

Автоматическая система управления манометром

Поточное измерение и контроль распределения толщины пленки по ее ширине является функцией системы контроля толщины или APC (Automatic Profile Control). Когда гибкая кромка на головке управляется вручную и производственный процесс хорошо отрегулирован, колебания толщины пленки будут в диапазоне от ±3 до ±5%. В автоматическом режиме эти колебания можно уменьшить вдвое. На рисунке ниже показана автоматическая матрица с модулем автоматического управления, установленным на гибком корпусе матрицы. Модуль образуют так называемые термотрансляторы или термоболты. Расстояние между болтами обычно составляет 1,125 дюйма.

Система управления датчиком включает в себя блок эмиссии излучения и пульт управления. Блок излучения перемещается в поперечном направлении машины, сканируя пленку за циклы (измеряемые в минутах). Обычно излучение исходит от источника бета-излучения; хотя можно также использовать рентгеновские и инфракрасные источники. В общих чертах толщина пленки определяется как функция скорости поглощения излучения пленки. Таким образом, изменение скорости поглощения приводит к изменению толщины пленки.

Консоль управления является интерфейсом между системой управления и автоматическим штампом. Каждая точка регулировки или термотранслятор на матрице пространственно соотносится с положением на пленке. Это называется картированием.

Система управления при необходимости подает питание на термопреобразователи, а зазор кромки регулируется за счет теплового расширения регулировочного элемента. Важной переменной, связанной с APC, является постоянная времени. Он определяется как время, необходимое для удлинения регулировочного элемента на 62,3% от его максимального удлинения. Чем короче постоянная времени, тем более отзывчива система, что приводит к повышению производительности.

Лечение коронным разрядом

Чтобы облегчить прилипание красок или покрытий к поверхности пленки, необходимо применить обработку поверхности. Лечение коронным разрядом является наиболее часто используемым из существующих методов. Обработка коронным разрядом увеличивает поверхностную энергию пленки и, следовательно, ее поверхностное натяжение. Система включает в себя источник питания и станцию ​​обработки. Источник питания преобразует мощность установки 50/60 Гц в мощность гораздо более высокой частоты в диапазоне от 10 до 30 кГц. Эта высокочастотная энергия подается на станцию ​​обработки и подается на поверхность пленки с помощью двух электродов, один с высоким потенциалом, а другой с низким потенциалом, через воздушный зазор, который обычно составляет от 0,5 дюйма до 1 дюйма. Поверхностное натяжение на поверхности пленки увеличивается, когда создаваемая высокая разность потенциалов ионизирует воздух.

Обработка коронным разрядом может выполняться в процессе производства пленки или как отдельный последующий процесс. При выполнении в поточном режиме особое внимание следует уделить потенциальному образованию токсичного озона. В некоторых случаях необходимо предусмотреть систему вентиляции в производственной зоне.

Моталка

Проще говоря, намотчики используются для преобразования экструдированной пленки в рулоны материала. Процесс намотки должен быть таким, чтобы пленка сохраняла свои свойства и размеры, когда эти рулоны разматываются и перерабатываются в других последующих процессах.

Есть три основных типа намотчиков; поверхностные намотчики, револьверные или центральные намотчики и центральные/поверхностные намотчики. Поверхностные намоточные машины наматывают пленку через контакт между барабаном большого диаметра и намоточным валом, который прижимается к барабану с переменным давлением. Револьверные или центральные намоточные машины — это намоточные машины любого типа, в которых используется ведомый вал, проходящий через центр строительного рулона, или патроны, поддерживающие сердечник, для привода строительного рулона. Наконец, при комбинированном подходе центрально-поверхностной намоточной машины (или намоточной машины с зазором) поддерживается небольшой зазор между валком поверхностной намотки или валиком, наложенным на вал, и валом намотки. Система центрального привода приводит в движение намоточный вал независимо от поверхностного барабана.

Пленки могут быть липкими или иметь некоторую степень скольжения, иметь высокую или низкую эластичность, тонкие или толстые, требуемый диаметр рулона может быть большим или малым; роллы могут быть узкими или широкими, мягкими или жесткими. Технология намоточного устройства сложна, и правильный тип намоточного устройства, используемого в конкретном случае, зависит от всех вышеперечисленных переменных.

Использование револьверных или центральных намоточных устройств является типичным при применении литых пленок. С этим типом наматывающего устройства натяжение полотна уменьшается по мере увеличения диаметра рулона. Это контролируется скоростью вращения шпинделя намотки. Укладка на рулон предотвращает или позволяет захватывать небольшое количество воздуха между слоями. Последний рекомендуется для намотки пленок с высокой липкостью или для намотки мягких рулонов.

Для равномерного распределения дефектов на экструдированной пленке (вариации толщины) используется рандомизатор. Рандомизатор перемещает пленку вперед и назад, когда она разрезается и наматывается. Альтернативный подход заключается в перемещении продольно-резательного станка и наматывающего устройства вперед и назад относительно пленки.

Компьютеризированная система контроля и управления

Перечислены и описаны основные узлы литой экструзионной линии. Эти компоненты не действуют сами по себе, а интегрированы и управляются компьютеризированной системой контроля и управления.

Главный компьютер — это мозг, который объединяет и управляет элементами управления всеми компонентами линии организованным образом.

Основные задачи компьютера:

• Контролировать пуск, останов и скорость линии;

• Контролировать вес материала, подаваемого в экструдеры, и контролировать скорость экструдеров, чтобы поддерживать постоянную производительность;

• Контролировать все температурные зоны и температуры всех материалов;

• Координировать взаимодействие между системой управления манометром, реакцией автоматической матрицы и скоростью линии;

• контролировать натяжение полотна; и

• Хранить и обрабатывать все рецепты продуктов, хранить оперативные данные и управлять системой сигнализации.

Хорошая система управления должна предоставлять операторам простой в использовании графический интерфейс или систему мониторинга.

Специальные приложения

В этом разделе описываются некоторые сложные соэкструдированные конструкции, включающие материалы с высокой добавленной стоимостью, которые пользуются растущим спросом на международных рынках упаковки пищевых продуктов.

В таблице ниже приведены характеристики этих соэкструдированных пленок. В конструкциях EVOH используется для обеспечения кислородного барьера, наличие полипропилена в качестве поверхностного слоя способствует термоформованию пленки, а полиэтилен, используемый в качестве поверхностного слоя, действует как термосвариваемый материал. Сочетание PVdC с EVOH является эффективным способом решения проблемы потенциальной потери барьерных свойств по отношению к кислороду, которую испытывает EVOH при воздействии влаги, как в случае упаковки мяса. Нейлоновый материал используется в сочетании с EVOH для обеспечения дополнительного барьера, когда пленка должна быть термоформована, а жесткость EVOH ограничивает толщину слоя EVOH.

Как видно, процесс спецификации этих структур — непростая задача, и необходимо учитывать множество переменных. Компании, желающие диверсифицировать свой ассортимент продукции за счет включения специальных пленок, должны знать, что высокая стоимость смол с добавленной стоимостью и постоянно меняющийся рынок являются факторами, которые требуют использования высокотехнологичного технологического оборудования, достаточно гибкого для эффективного использования в различных областях. производство как товарных, так и специальных пленок.

Заключительные замечания

В данной статье перечислены и приведены основные параметры функционирования всех основных узлов линии производства каст-пленки. Технология каждого компонента сложна, как и их взаимодействие и функциональная интеграция в линию.

Во избежание преждевременного технологического устаревания оборудования перед его приобретением необходимо уделить особое внимание.

Крайне важно установить четкое понимание того, какой продукт и его применение должны производиться на линии. Идея всеобъемлющей «универсальной» линии может быть привлекательной, но в действительности такой линии не существует. Чем более универсально спроектирована линия, тем менее оптимизированным может быть производство продукта, потому что компоненты линии могут не подходить для конкретных технологических требований продукта. Кроме того, литейные линии промышленного размера рассчитаны на длительные производственные циклы, которые не очень подходят для частой смены продукта — работа литейных линий регулярно требует значительного количества технологических корректировок. Производство сложных и изощренных пленок часто требует много времени на доводку, особенно при разработке структуры пленки. Даже с комплексным программным обеспечением Macro, которое помогает инженеру-технологу прогнозировать поведение многослойных структур, обычно требуется множество испытаний для достижения целевых механических, физических, оптических и технологических параметров.

Все компоненты литой линии влияют на общую производительность всей линии. Чтобы получить первоклассную линию, пригодную для производства продукции отличного качества, каждый из отдельных компонентов или систем должен быть одинаково высокого качества.

Ожидается, что изложенные выше концепции послужат целям ознакомления с технологией литья пленки для тех, кто плохо знаком с ней, и укрепления базы знаний тех, кто уже знаком с этим производственным процессом.