如何保證無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中涂膠和混膠的均勻性？

伍秋濤

涂膠均勻、混膠均勻、張力穩(wěn)定是無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中的三大核心技術(shù)要求。關(guān)于無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中的張力控制，筆者已于2016年8期《印刷技術(shù)-包裝裝潢》之“無溶劑復(fù)合張力控制的張力與選擇”一文中做過詳細(xì)介紹。本文中，筆者從節(jié)約成本的角度出發(fā)，介紹如何保證無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中涂膠和混膠的均勻性，以應(yīng)對當(dāng)前無溶劑復(fù)合產(chǎn)品功能性要求的提高，為順利換膠、降低成本、提高生產(chǎn)效率作保障。

涂膠均勻性分析

1.涂膠均勻的經(jīng)濟(jì)意義

關(guān)于涂膠均勻性在無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)意義，筆者通過以下數(shù)據(jù)分析進(jìn)行成本對比。

假設(shè)1.50g/m2的涂膠量是軟包裝復(fù)合外觀及剝離強度的最低要求。

無溶劑復(fù)合設(shè)備A的涂膠均勻性為±10%，則其所需的平均涂膠量為1.67g/m2，即局部最低點的涂膠量為1.50g/m2，局部最高點的涂膠量為1.84g/m2（在平均涂布量的基礎(chǔ)上放大10%～15%）。

無溶劑復(fù)合設(shè)備B的涂膠均勻性為±5%，則其所需的平均涂膠量為1.58g/m2，即局部最低點的涂膠量為1.50g/m2，局部最高點的涂膠量為1.66g/m2。

也就是說，相同的軟包裝復(fù)合產(chǎn)品，采用設(shè)備A要比設(shè)備B每平方多出1.67-1.58=0.09g/m2的涂膠量，即要多耗用5.7%的無溶劑膠黏劑。

以一臺無溶劑復(fù)合設(shè)備平均4.0噸/月的用膠量進(jìn)行計算，設(shè)備A一年則要多用4.0×12×5.7%=2.736噸的膠黏劑，以無溶劑膠黏劑單價23元/千克計算，則直接成本損失為2.736×1000×23=62928元，5年的直接經(jīng)濟(jì)損失將近32萬元。

市面上還有一些無溶劑復(fù)合設(shè)備的涂膠均勻性只能達(dá)到±15%，這樣的設(shè)備雖然采購成本相對較低，但往往意味著更多的無溶劑膠黏劑使用量，所以說低價不等于經(jīng)濟(jì)。

2.質(zhì)量損失

我國大部分軟包裝設(shè)計往往采用較多的大色塊，以色墨疊印白墨為主，同時有些部位還有鏤空設(shè)計，這樣的圖案設(shè)計反而會增加無溶劑復(fù)合的難度。

以圖1所示的軟包裝樣品為例，在無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中，假設(shè)該樣品紅墨與白墨疊印部位所需的最低涂膠量為1.5g/m2，在透明部分只需1.0g/m2的涂膠量就可滿足外觀及強度要求。當(dāng)涂膠量過多時，透明部分就會出現(xiàn)膠紋現(xiàn)象（透明度降低），甚至出現(xiàn)氣泡。所以，如果分別采用上文提到的無溶劑復(fù)合設(shè)備A（局部最高點的涂膠量為1.84g/m2）和無溶劑復(fù)合設(shè)備B（局部最高點的涂膠量為1.66g/m2）生產(chǎn)該樣品，從透明度進(jìn)行對比，設(shè)備A生產(chǎn)的復(fù)合膜會明顯低于設(shè)備B生產(chǎn)的復(fù)合膜。而所用膠黏劑的黏度越低，復(fù)合膜產(chǎn)生的膠紋現(xiàn)象就越明顯。可見，涂膠均勻性差的設(shè)備，對軟包裝復(fù)合質(zhì)量的影響更加明顯。關(guān)鍵是其無法有效兼顧復(fù)合膜疊色處及透明處的質(zhì)量要求。面對這種情況，有些行業(yè)人士會采取提高平均涂膠量的方法，這不僅不能提高復(fù)合質(zhì)量，反而會使涂膠成本大幅增加。此外，增加無溶劑復(fù)合涂膠量，對于PE結(jié)構(gòu)復(fù)合膜來說還存在摩擦系數(shù)增加、抗封故障等技術(shù)風(fēng)險。

涂膠均勻性的技術(shù)保障措施

1.采用五輥涂布系統(tǒng)

五輥涂布系統(tǒng)是我國無溶劑復(fù)合設(shè)備的通用結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主要有計量鋼輥R1（固定計量鋼輥）、轉(zhuǎn)移鋼輥R2（轉(zhuǎn)動計量鋼輥）、轉(zhuǎn)移膠輥R3、涂布鋼輥R4、涂布膠輥R5。其中，R1在無溶劑復(fù)合生產(chǎn)過程中始終是固定不動狀態(tài)，其與R2以及兩輥側(cè)邊的可調(diào)膠堵機構(gòu)組成了一個存膠裝置，用于儲存無溶劑膠黏劑。在停機擦洗滾筒或清除異物時，可手動轉(zhuǎn)動膠料輥。其中，R5和R3為橡膠輥，用于減少生產(chǎn)時R3與R2和R4之間的摩擦，降低摩擦熱，從而有效避免膠黏劑的“蒸騰起霧”現(xiàn)象。

通過不斷調(diào)節(jié)各輥之間的速差，可保證低涂膠量的精度。為了使膠黏劑在涂布輥上形成均勻的膠膜，必須給計量輥和轉(zhuǎn)移輥設(shè)定不同的線速度，而且與涂布輥的線速度也是不同的，要低于涂布輥的線速度（即主機線速度），如R3與R4之間合理的線速度比應(yīng)為0.25。而無溶劑膠黏劑涂布量的改變，取決于轉(zhuǎn)移輥與涂布輥之間的線速度比。某進(jìn)口無溶劑復(fù)合設(shè)備轉(zhuǎn)移輥與涂布輥線速度比與對應(yīng)的涂膠量如表1。

對于使用減速電機齒輪皮帶連接方式的無溶劑復(fù)合設(shè)備來說，R2與R3的線速度比是定值，也就是說R3的表面速率隨涂膠量的變化而變化，而涂膠量不同時，R3與R4的線速度比也不同，但如果采用獨立伺服控制、無溶劑復(fù)合設(shè)備則不存在這個問題。可見，R3與R4合理的線速度比是保證五輥涂布系統(tǒng)涂膠均勻性的重要因素。

2.精準(zhǔn)靜態(tài)計量間隙

隨著我國設(shè)備加工水平的不斷提高，設(shè)備零部件的加工精度也得以大幅提升，五輥涂布系統(tǒng)中R1、R2、R4的表面光潔度可達(dá)到±0.0002mm，同心度可達(dá)到±0.005mm。由于R1是固定不轉(zhuǎn)的，在不考慮裝配誤差的情況下，理論上來講，靜態(tài)計量間隙的偏差直接取決于R2的同心度偏差。而裝配誤差的影響因素較多，總體取決于設(shè)備制造企業(yè)的機械加工水平及裝配水平，如墻板的數(shù)控加工精度、軸承精度、裝配水平度、裝配精度等。

3.排除影響動態(tài)計量間隙的因素

（1）R2的受壓及R3的振動

無溶劑復(fù)合設(shè)備運行過程中，R3是傳遞壓力的，因此R2受到來自R3的壓力時會發(fā)生形變，因此施加在R3上的壓力不宜過大。R2足夠的剛性可以減少外加壓力引起的變形量，減少與其他輥之間的間隙變化。

在無溶劑復(fù)合設(shè)備加工時，由于R2、R3、R4都存在一定的同心度偏差，在無溶劑復(fù)合設(shè)備運轉(zhuǎn)時R3不可避免地會發(fā)生振動（這還與R3上壓力時大時小有關(guān)），從而直接影響R3的傳膠均勻性。各輥良好的同心度及動平衡，可以減少振動引起的涂膠不均問題，提高各輥的耐用性。

（2）計量輥溫度穩(wěn)定性

計量輥直徑為175mm，溫度每相差1℃，就會產(chǎn)生2.1μm的計量間隙偏差。而且溫差越大，計量間隙偏差就越大，輕則計量不準(zhǔn)，嚴(yán)重時會導(dǎo)致輥面損傷。可見計量輥所用模溫機的加熱穩(wěn)定性尤其關(guān)鍵，顯示溫度必須與設(shè)定溫度一致，而且其在工作時間段內(nèi)的溫度波動應(yīng)<±1℃。

在無溶劑復(fù)合設(shè)備運行一段時間后，如果計量輥內(nèi)部循環(huán)水管路發(fā)生半堵塞，就會出現(xiàn)計量輥左右溫度不一致的問題，表現(xiàn)為升溫預(yù)熱時間延長。最嚴(yán)重的情況是，在間隙調(diào)整時計量輥左右兩側(cè)溫度是一致的（且與設(shè)定溫度一致），在開機過程中左右兩側(cè)溫度出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致計量間隙兩側(cè)不一致，兩側(cè)涂膠量均勻性也隨之變化，最直接的后果就是收卷不齊。

（3）擋膠塊的加壓

擋膠塊的壓力相當(dāng)于將已調(diào)整好的計量間隙撐開的力，不適當(dāng)?shù)膲毫︼@然會改變已調(diào)整好的計量間隙。目前，加在擋膠塊上的壓力主要為加壓橫杠的自重，考慮到還有一定的機械鎖緊力，則該力值不可過大。

（4）擋膠塊邊緣滲膠問題

擋膠塊邊緣的滲膠隨著時間延長，其黏度會快速增加，R3轉(zhuǎn)動的阻力也會隨之增加，計量間隙變大，從而造成涂膠量產(chǎn)生變化，偏離預(yù)設(shè)值。

此外，目前無溶劑復(fù)合設(shè)備涂膠部位通常設(shè)計為封閉式運行，這使得擋膠塊邊緣的滲膠清理起來比較麻煩，如果在開機運行中進(jìn)行擦除清理，存在很大的安全隱患；如果停機清理，則會導(dǎo)致廢品率上升，效率下降。

因此，要從根本上了解造成滲膠的主要因素，才能真正解決滲膠問題，對此，筆者總結(jié)了以下3個因素。

①R1與R2的加工精度差。表現(xiàn)為直徑偏差和同心度偏差，直徑偏差較大時，與擋膠塊弧面接觸間隙增加；同心度偏差較大時，轉(zhuǎn)動一周時各部位與擋膠塊弧面的接觸間隙不穩(wěn)定。兩者的間隙變化就為小分子無溶劑膠黏劑發(fā)生滲膠創(chuàng)造了條件。

②擋膠塊的加工精度差。直接影響擋膠塊弧面與鋼輥表面的接觸間隙是否緊密。

③計量間隙調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性及實際間隙變化。擋膠塊按標(biāo)準(zhǔn)計量間隙進(jìn)行尺寸加工，因此計量間隙的變化也會直接影響擋膠塊弧面與鋼輥表面的接觸是否緊密。

（5）計量間隙鎖緊機構(gòu)的可靠性

計量間隙調(diào)整好后，計量鋼輥的鎖緊方式有兩種，一是機械鎖緊，二是氣壓力鎖緊。如果計量鋼輥的鎖緊機構(gòu)不可靠，則在外力（如擋膠塊加壓、邊緣滲膠擠壓）作用下都易引起計量間隙的變化。

（6）長期使用穩(wěn)定性

R1、R2、R4要有足夠的剛性，避免長時間反復(fù)受壓出現(xiàn)形變。R2與R4的表面采用鍍陶瓷工藝，表面耐磨性會成倍增加，理論壽命是表面鍍鉻的10倍。有些鍍鉻轉(zhuǎn)移鋼輥在使用2～3年后，表面就出現(xiàn)了掉鉻問題，如此便難以保證原有的計量間隙精度。

（7）擋膠塊附近的涂膠穩(wěn)定性

無溶劑A/B膠（混合后的溫度為35～45℃）在擋膠塊附近會出現(xiàn)黏度上升的現(xiàn)象，直觀表現(xiàn)為發(fā)白、產(chǎn)生氣泡，此時轉(zhuǎn)移涂布到薄膜上的膠量會明顯降低（因為氣泡占有一定體積）。同時，膠液與空氣中的水蒸氣接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗了一部分-NCO基團(tuán)，嚴(yán)重時表現(xiàn)為復(fù)合膜邊緣不固化、剝離強度低等問題。

混膠均勻性分析

1.混膠均勻的意義

薄膜用無溶劑膠黏劑由兩組聚氨酯預(yù)聚體組成，在使用時將兩個組分均勻混合在一起，靠相互反應(yīng)形成大分子而達(dá)到交聯(lián)固化。雙組分無溶劑聚氨酯膠黏劑A組分一般為聚異氰酸酯預(yù)聚物（一般含有-NCO基團(tuán)），B組分一般為羥基封端的預(yù)聚體。

A組分和B組分無溶劑膠黏劑，經(jīng)齒輪泵按比例定量輸出，再經(jīng)靜態(tài)混合器被分散為A膠、B膠分子級接觸狀態(tài)，經(jīng)涂布在薄膜上發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，達(dá)到固化粘接的目的。

不同生產(chǎn)廠家、不同型號的無溶劑膠黏劑中A膠與B膠的標(biāo)準(zhǔn)配比量也不一致，但總體上來說，-NCO∶-OH的最佳反應(yīng)配比都有規(guī)律可循。根據(jù)經(jīng)驗，-NCO∶-OH小于1.32時，存在不固化的風(fēng)險。正常情況下，無溶劑膠黏劑發(fā)黏時，基本是由雙組分膠黏劑配比失調(diào)引起的。只有保證膠液中-NCO與-OH的配比在合理范圍內(nèi)，且A膠、B膠達(dá)到分子級的接觸狀態(tài)，才能發(fā)生完全交聯(lián)固化反應(yīng)，達(dá)到粘接目的。由此可見，混膠均勻性也是保證無溶劑復(fù)合質(zhì)量的核心技術(shù)關(guān)鍵。

局部不干是無溶劑復(fù)合中遇到的最難解決的質(zhì)量問題之一，其特點是隨機出現(xiàn)、很難挑選，且產(chǎn)品疊放不齊，容易出現(xiàn)翹角等問題，如圖3所示。局部不干問題的根本原因在于局部A膠、B膠的配比失調(diào)。

2.關(guān)鍵技術(shù)保障

為了更加有效地避免混膠不均勻的問題，建議應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的機械動力新技術(shù)，對無溶劑復(fù)合混膠設(shè)備進(jìn)行升級改進(jìn)。

（1）采用伺服電機驅(qū)動技術(shù)

無溶劑復(fù)合屬于間歇式供膠，需要頻繁啟動與停止混膠設(shè)備，這就需要一些技術(shù)要點，即出膠同步性要高；精度高，保證A膠、B膠的輸送比例；停止泵膠同步性要高。而采用伺服電機則能很好地滿足上述3個技術(shù)要求。

當(dāng)沒有控制電壓時，伺服電機的定子內(nèi)只有勵磁繞組產(chǎn)生的脈動磁場，轉(zhuǎn)子靜止不動；當(dāng)有控制電壓時，伺服電機的定子內(nèi)便產(chǎn)生一個旋轉(zhuǎn)磁場，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場的方向旋轉(zhuǎn)。一般在負(fù)載恒定的情況下，伺服電機的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小變化而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時，伺服電機將反轉(zhuǎn)。

普通電機在斷電后，因為自身慣性還會再運轉(zhuǎn)一會兒才能停下。而伺服電機不存在普通電機的慣性轉(zhuǎn)動，說停就停，說走就走，反應(yīng)極快，將其應(yīng)用在無溶劑復(fù)合混膠設(shè)備上，優(yōu)點便得以凸顯。精度：實現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電機失步的問題；及時性：加/減速的動態(tài)響應(yīng)時間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)，適用于有高速響應(yīng)要求的生產(chǎn)場合。

（2）氣閥開關(guān)同步

氣閥先于齒輪泵轉(zhuǎn)動前開啟，而在齒輪泵停止泵膠后再關(guān)閉，要確保A膠與B膠膠管氣閥開關(guān)的同步性。由于泵膠前膠管壓力都很低，且A膠與B膠膠管壓力處于平衡狀態(tài)，氣閥開啟不同步，并不會發(fā)生膠液自然溢流的現(xiàn)象。但在停止泵膠后，由于A膠與B膠管路都有殘留壓力，如果A膠與B膠關(guān)閉不同步，肯定會造成A膠與B膠的自然溢流量不成比例，進(jìn)而導(dǎo)致局部不干的問題。

（3）其他

出膠壓力與出膠孔的截面面積大小成正比，一般情況下，A膠的黏度都比B膠大，且A膠量較B膠量大（少數(shù)情況下也會出現(xiàn)B膠量比A膠量多），將A膠出膠孔直徑設(shè)計得比B膠出膠孔大一些，可降低A膠管路與B膠管路的出膠壓力比。這也是影響膠黏劑局部不干的一個潛在因素，但通常會被大家忽略。