全納米層碟片模頭突破吹塑薄膜的層數極限

文/ Plastics Technology JIM CALLARI

專利的模頭技術旨在將吹塑薄膜的層數極限擴展到超越于目前被認為是高科技的9層和11層的標準。

BBS公司正在持續開發用于生產納米層吹塑薄膜的模頭技術，這項技術是最近開發的兩項技術中的第二項，旨在推動薄膜擠出商研究新的加工工藝，以超越目前被認為是達到行業頂級水平的9層和11層的結構。意大利的機器制造商GAP公司開發了采用3個喂料塊的技術，僅需一個環形模頭，就能生產出含27個微層的吹塑薄膜。

納米層技術已在流延膜領域站穩了腳跟，尤其是在拉伸應用方面，這主要歸功于Cloeren Incorporated公司的努力，該公司開發的喂料塊技術使得加工商們能夠生產出幾十層的薄膜。

位于美國南卡羅來納州Spartanburg的BBS公司由Hank Schirmer經營，他從Cryovac公司（現在的Sealed Air公司）的新型技術總監職位退休。Schirmer擁有100多項專利，最新的一項專利是2020年12月獲得授權的一種全納米層模頭，這項專利技術是對Schirmer在大約20年前發明的分層排序組合（layer-sequence repeater，簡稱LSR）模頭技術的延續，那項技術后來被BBS賣給了一家制造醫療包的全球薄膜生產商。

新的納米層模頭可以采用1X（如此圖所示）和2X（更高的產出）兩種設計，特別是其外夾緊螺栓可以防止泄漏

按照Schirmer的解釋，BBS的全納米層模頭由許多模塊組成，每個模塊又由許多模塊單元（cells）組成，這些模塊單元（cells）從180°的兩個對稱位置取出熔體，從而為每一層提供了更好的對稱性。Schirmer堅持認為，這樣可以將每個納米層的厚度控制得更加均勻。每個模塊單元（cell）由9個或更多的釘在一起的極薄的碟片（dies）組成。“這些碟片（dies）是構建每個模塊單元的基石，可以改變模塊單元的形狀，它們或多或少就像是一套樂高玩具。” Schirmer介紹說，“相應地，這可以兼容每一種塑料，并能根據每種樹脂的流變性進行調整，以達到最佳的流動狀態。”

Schirmer進一步解釋說:“通過模塊單元（cells）和碟片（disks）的模塊化設置，這種全納米層模頭可以滿足你的任何需求。我們不再需要用它產生的層數來描述這種共擠出模頭。你只需要組裝模塊，就能得到你想要的——一層，兩層，或50層直到100層，而且你會知道，每一層的厚度都能盡可能的均勻。模頭負責所有熔體的定向，所以，你只需要用一臺擠出機來擠出所用的每一種材料。無論是3層還是50層，模頭決定了一切。”

最新的專利是關于這種模塊的。這是一種通常很復雜的對精密激光切割和手工完成的碟片（disks）進行組裝的過程。這種特殊的模塊組裝方式決定了薄膜的結構。在一個模頭組合中，可以有多個模塊。

新的模塊由模塊單元（cells）組成，每一個模塊單元（cell）都有兩個結構相對的熔體入口，能產生相同材料的或不同材料的兩個層，這樣，就可以更好地控制模頭產生的不同材料的所有納米層的厚度。Schirmer介紹說：“基本上，模塊是模頭的核心和靈魂，決定了所生產薄膜的質量。通過更換模塊，加工商可以改變薄膜的結構。他可以有多個模塊配置，隨時可以用于模頭中，這就類似于剃須刀和剃須刀片：剃須刀保持不變，但剃須刀片可以更換，而決定剃須的是剃須刀片。”

BBS在其實驗室中建有一條由6臺擠出機組成的生產線，可以制造含52個納米層的薄膜

此圖顯示的是在BBS模頭中制成的含75個納米層的尼龍 6/EVOH材料的薄膜結構，圍繞著膜泡圓周的這些層是同心的，而且是連續的

模塊可以預先安排，并放入模塊庫存清單中，這樣在需要時，就可以隨時將它們放入模頭中，這使得在每次清洗模頭或改變薄膜結構時都能縮短停機時間。“將模塊加熱到大約482.2 ℃或者采用其他方式燃燒聚合物，可以很容易地清洗這些模塊，我們只需要一個柴爐燃燒4 h即可。冷卻后，只需吹掉灰燼，就可以將模塊重新投入使用而無需拆卸它。”Schirmer說道。

這些模頭的設計采用了外夾緊螺栓。“這樣做是為了獲得最高的夾緊壓力，以使模頭不會泄漏。”Schirmer說道，“模塊會變熱，但夾緊螺栓卻保持冷卻。熱會導致模塊膨脹，但冷的螺栓比你用扭矩扳手拉得更緊。”

自從Schirmer公布LSR技術以來，他已與兩家吹膜系統供應商建立了聯系：中國的金明公司和加拿大的Alpha Marathon公司，金明公司測試了高產出的LSR 模頭。此外，BBS還向一家法國的加工商出售了這種模頭。而Alpha Marathon公司則向亞洲的一個加工商出售了一條生產線，該生產線配有Schirmer的模頭。BBS還向一家歐洲的加工商出售了幾個模頭，以及向兩家美國的加工商出售了模頭。現在BBS在獨立運營。

新的納米層模頭有1X和2X兩種設計。1X模頭擁有最大8 in（約20.32 cm）的環，最大產出可達300 lb/h（約136 kg/h）。2X模頭擁有最大18 in（約45.72 cm）的環，可以用在產出超過1 000 lb/h （453.6 kg/h）的生產線上。

BBS 在Spartanburg有一個可供客戶試驗的薄膜實驗室。“我們可以向他們展示，如何用模塊單元（cells）組裝模塊，用碟片（disks）組裝模塊單元（cells）。”Schirmer說，“這可以通過使用簡單的CAD計算程序而得到簡化。”

Schirmer正在為其對模頭的進一步改進措施申請新的專利，包括制造更多對稱的納米層，以及減少用于制造復雜結構的擠出機的數量。“我們正在為一條由更少量的擠出機組成的全新的吹膜生產線申請專利，這條生產線專為制造廣泛的高質量薄膜而設計，以展示這些新的模頭所具有的全部功能特征。”Schirmer說道。該新的生產線目前安裝在BBS位于Spartanburg的實驗室中。