擠出吹塑薄膜流道線產生的原因及解決方案

李 浩

(廣東金明精機股份有限公司，廣東 汕頭 515098)

0 前言

隨著塑料吹塑薄膜在農業、工業、醫療衛生、軍工產品等領域的廣泛應用，市場對塑料薄膜的性能和品質的要求越來越高。為了適應市場的需求，原料生產廠家不斷推出不同性能的塑料原料，促使薄膜生產廠家不斷推出新配方、新工藝，同時在確保其制品在滿足使用性能等要求的條件下盡量降低生產成本；而吹塑裝備生產廠家則對技術不斷進行優化、提升，以獲得更好的制品性能、品質和更高的產量。在“塑料生產、裝備制造、制品加工”這一產業鏈的技術改造升級過程中若協調不好可能會出現意想不到的各種問題，尤其是塑料擠出螺旋機頭在加工某些聚烯烴原料或液晶聚合物(LCP)時，所出現的流道線會在一定程度上影響制品的性能和品質，使設備制造廠和薄膜生產廠要投入大量的人力和經費來研究和解決問題。例如，工業包裝用保護膜表面如果存在流道線，薄膜上流道線的透明度和其他部位的透明度不一致，會影響到液晶面板等被保護電子產品的視覺效果；流道線問題還會導致擠出吹塑機械在更換不同顏色的色母時的換色時間過長，或導致更換流動性能差異較大原料的換料時間過長、原料消耗過多等問題的出現。本文對螺旋機頭產生流道線的原因及解決方法進行論述，以供從事相關工作的人員參考、借鑒。

1 擠出薄膜制品中的線痕、流道線和熔接痕

在吹膜擠出中，薄膜中的線痕數量往往與模口中孔的數量有關，因此，這樣的線痕常常被稱為孔線[1]。這些孔線明顯與機頭設計有關，但它們往往也非常依賴于聚合物的熔體流動特性。高分子聚合物有很長的弛豫時間，更容易表現出孔線或其他類型的模口線痕。當聚合物熔體在機頭中或者甚至在模口前分離和重新熔合時，則會形成熔接痕。熔接痕也被稱為匯合痕。

孔線就是擠出吹塑薄膜生產過程所講的流道線，流道線的表述比孔線更加準確，這是因為隨著多層共擠工藝技術的發展以及多層共擠螺旋機頭的不斷創新，如圖1(a)和圖1(c)所示結構的螺旋機頭設置有流道孔，而圖1(b)所示結構的螺旋機頭靠表面流道溝槽來分流熔融的塑料就不需流道孔了，但螺旋流道依然是螺旋機頭不可缺少的重要組成部分。多層共擠螺旋機頭的內流道基本可以分為6段，分別是主流道、分配流道(或稱分配系統)、螺旋流道、松弛段、匯流復合段和模口段。流道線產生的位置通常位于分配流道和螺旋流道的連接處，通常由于流道線的數量和螺旋流道的數量一致，而螺旋流道沿圓周均布，以致出現在吹塑薄膜制品上的流道線的間隔也是相等的，如圖2所示。在某些情況下，雖然設計者已經對機頭做出了消除流道線的設計，但流道加工的尺寸和表面粗糙度不一致，會直接影響到膜面上流道線的粗細，當出現部分流道線細小到肉眼不能看到時，有時會覺得膜面上流道線和螺旋流道的數量不一致，此時可能會導致薄膜生產的工藝人員對線痕產生的原因產生困惑，這些線痕究竟是不是流道線？可用什么方法進行消除或者改善？

(a)中心分配單層螺旋機頭 (b)表面分配機頭螺旋體 (c)單層螺旋機頭的螺旋體圖1 螺旋機頭Fig.1 Spiral die

圖2 流道線在膜面上分布Fig.2 Flow line on film surface

劃痕，是線痕的一種。通常指熔體流經機頭內部或模口處，在某處受到尖銳物的阻流分割從而使熔體重新熔接包合，由于熔合不充分擠出模口經冷卻定型后在薄膜表面上形成的線痕，它也是一種熔接痕。當劃痕情況嚴重且薄膜受到外力的作用時，容易引起薄膜被撕裂。現階段的機頭流道按流線型、無死角、表面光滑的設計，劃痕能得到有效的控制，而通常劃痕是因機頭內部或模口處粘附了諸如凝膠、焦料、模口滴料等異物所導致的，劃痕處薄膜的厚度較薄，這類問題只要對機頭拆卸清潔就能有效解決。

流道線，是線痕的一種，是熔體一種特殊的熔接痕。熔體在螺旋機頭中沿螺旋槽作螺旋流動，同時在一個具有特定的間隙(即漏流間隙)的空心環形內腔作軸向流動，隨著螺槽的變淺和環形間隙的增大，熔體的流動由主要的螺旋方向過渡到沿環形內腔作軸向流動。螺旋機頭的螺旋流道按一定的螺距均布排列，熔體在螺槽與環形間隙之間交聯流動，最終達到均化和軸向等速流動的目的。可見螺旋機頭比其他結構機頭能更有效地消除熔接痕。但若將熔體流動分布在圓周方向按流道分布數量n進行分割，通過專業的模擬仿真軟件分析發現360 °/n夾角的范圍內熔體的流速和流量的分布存在波峰和波谷的波浪形變化。圖3為solidworks simiuliation模擬軟件對具有4個均布螺旋流道尾部的流速進行仿真的分布曲線圖，同時通過拆卸機頭檢查附著在螺旋流道出口表面熔體流動的流痕與仿真圖形一致，由此證明流道線的數量和螺旋流道的數量是一致的。

圖3 螺旋流道尾部流速分布仿真曲線Fig.3 Simulation curve of MFR distributionthe end of spiral channel

(a)白色 (b)透明圖4 流道線Fig.4 Flow line

流道線是一種獨特的熔接痕，這是基于熔體沿徑向和軸向復合流動的熔合結果。在徑向，熔體沿螺旋流道起始處的環形間隙靠外壁的位置先流出，先流出的熔體要和相鄰的前一螺旋流道末端慢流出的熔體在徑向進行熔接，從而產生熔接痕。在軸向，螺旋流道出口處的流速有快慢，慢的區域出現熔體滯留，尤其更換了不同顏色的色母時更易觀察到，流速相差過大也會產生熔接痕。因此，螺旋機頭的流道線通常有2種，一種是徑向的熔合線，這種熔合線由于吹塑的連續擠出，表現為膜泡運動方向的線痕；另一種是軸向的熔接痕，同樣表現為膜泡運動方向的線痕。在機頭工藝溫度設定正常的情況下，2種流道線明顯的區別在于前者在膜泡上以白線條出現[圖4(a)]，后者在膜泡上以透明的亮線出現[圖4(b)]，若機頭設計和加工材料、工藝溫度的設定偏差較大時，這2種線條可能會同時出現。為什么流道線有白線條和亮線條2種，這是因為聚合物的熔體在高壓力作用下沿流道流動，分配流道在同一截面中心部的熔體溫度高、黏度小、流速快；靠近流道壁的熔體受金屬壁阻力的作用而溫度低、黏度大、流速慢；而靠近流道壁的熔體在進入螺旋流道的起始部位上(位置最靠外)，熔體從環形間隙最先流出，因沒有被有效熔合，直至擠出模口時，此處熔體與其他位置相比，其黏度仍然較高、溫度較低，因此顯現出白線條。亮線條是由于該位置的螺旋流道出口處對應分配流道芯部的熔體分配位置，其熔體溫度高、流速快、出料快，與其他部位流速慢的熔體未能有效熔合，在模口相對應的位置上熔體的擠出料量大、冷卻慢，因而在模口出口顯現了亮線條，同時因吹脹比大，膜泡冷卻后此部位的薄膜反而變薄。

2 消除或減弱流道線的工藝解決方案

由于流道線是一種特殊的熔接痕，可參照熔接痕的解決辦法從工藝調節進行解決，必須給聚合物以足夠的沿匯合線的“瘉合”機會。“瘉合”過程實質上是聚合物分子的再纏繞[2]。在這個過程中重要的參數為時間、溫度和壓力。“瘉合時間”(亦稱弛豫時間)隨溫度升高而減少，但隨相對分子質量而增加。

決定熔接痕問題的嚴重程度的因素有：(1)從熔體流線重新接合到模口出口的時間/長度，即駐留時間；(2)聚合物熔體的恢復時間。如果停留時間大于恢復時間，熔接痕將在機頭內消失，不會在薄膜上出現。如果停留時間小于恢復時間，熔接痕不會在機頭內消失。常見的工藝現象是機器暫時停機30 min后再開機，發現流道線短暫消失然后又重新出現，就是因為駐留時間不同造成的。

通過增加聚合物在機頭內的停留時間或減少聚合物熔體的恢復時間，可以減輕或消除流道線。因此工藝人員可以通過降低擠出機的轉速、改變配方或調整工藝溫度來消除和弱化流道線。例如，工藝人員發現低密度聚乙烯和高密度聚乙烯由于黏度低、流動性好容易產生流道線，混入一定比例的線性低密度聚乙烯或茂金屬線性低密度聚乙烯可有效消除流道線；工藝人員還發現白色流道線和透明流道線可通過降低機頭溫度來減輕。但工藝解決方案通常對于透明流道線比較有效，對于白色流道線有一定的難度和局限性，尤其是生產某種產品必須用某種容易產生流道線的材料時，如何從根本上解決流道線的問題，還需從最初的機頭設計入手。

多層共擠機頭的設計自從有了三維制圖和模擬仿真軟件的輔助，機頭的設計趨于緊湊、低型體。設計者想方設法減小機頭的高度和直徑，減少流道和熔體的接觸面積，達到縮短熔體在機頭內的駐留時間、降低機頭的壓力損失、縮短機頭的換料換色時間，提高產量、降低成本的目的。而熔接痕的解決方法之一是要增加熔體在機頭內的停留時間，與多層共擠機頭技術的發展方向相違背，所以好的解決方案是從設計入手，讓熔接痕變得很淺，這樣所需的熔合時間就會縮短，機頭同樣可向緊湊型的方向發展。

3 消除或減弱流道線的機頭流道設計方案

機頭設計應遵循流變學的理論，而不同的材料其流變特性差別很大，熔體流動速率實質上是原料公司用來表征一族樹脂里的聚合物特征的一個單點黏度。大多數樹脂是根據熔體流動速率(MFR)做交易的[3]。聚烯烴的品種很多，吹膜工藝所用樹脂的MFR值在0.1～20 g/10 min之間，因此機頭設計應針對多種材料進行仿真模擬分析，以找到最佳的設計數據。上述的白色的流道線是徑向的熔合線，主要原因是螺旋起始漏流過早、過多或回流所致，熔體無法在短時間內“瘉合”。圖5由VELTMSpiral Die 模塊模擬預測的螺旋芯體分配系統中的4個周期塊的路徑線，這種路徑線在虛線框位置就會產生白色的流道線。因此，機頭設計應減少起始漏流。

圖5 螺旋機頭螺旋槽起始區域的漏流量圖Fig.5 Over flow chart of the initial part of spiral groove of the spiral die

機頭設計應注意減少起始漏流并不是僅僅要減小螺旋流道的起始間隙，而是要改變螺旋流道的漏流分布，若單一減小起始漏流間隙，可能流道線消除不了，只是改變了流道線出現的位置；同時過小的漏流間隙也會導致起始漏流處的壁剪切應力很低，這會導致熔體滯流甚至產生降解，在原流道線的位置會不斷產生晶點，產生新的問題。圖6是改進設計的螺旋分配系統，讓所有的路徑線處于同一方向，以減少起始漏流和回流，這種設計能有效地消除或減輕流道線，這樣的設計既不用增加螺旋流道的數量，也不用增加螺旋流道的長度，滿足緊湊型機頭的設計。白色的流道線可以通過優化螺旋流道的設計來解決， 那么如何解決透明的流道線呢？實際上道理是相同的，前面分析過透明的流道線是軸向的熔接痕， 透明流道線的區域流速慢，因此螺旋流道設計的分配必須均勻，減少滯留區。

通過對螺旋流道的模擬分析我們可以進一步了解為什么可以通過降低擠出機和機頭的加工溫度來減輕流道線，這是因為降溫通常會提高熔體的黏度，熔體沿螺旋流道方向增大流量，減少起始漏流量和避免出現滯留區，熔體的分配更加均勻，降溫帶來的另一好處是能夠提升薄膜的厚薄均勻度；如果某些材料的黏度變化對溫度不敏感，或者降溫會增加弛豫時間，此時就很難通過工藝溫度的調整來解決，只能通過降低擠出速度，延長熔體在機頭內的停留時間來減輕流道線。

圖6 改進設計的螺旋分配系統漏流分布圖Fig.6 Initial flow distribution chart of the improved spiral distribution system

5 結論

(1)探討了流道線產生的主要原因及解決方法；

(2)在機頭的設計中除了注重螺旋流道的分配效果外，還應關注熔體的剪切速率、剪切應力、駐留時間等流變行為，并要關注螺桿的剪切和混合效果;

(3)剪切變稀導致流體結構出現明顯的變化，分子間的作用力減弱，流動的阻力減小，流體黏度降低，從而影響熔體在螺旋機頭流道中的分配效果。