Любой, кто эксплуатировал линию по производству трехслойной пленки с раздувом-, знает, что добиться постоянной однородности между слоями сложнее, чем кажется. Вы можете иметь три идеально откалиброванных экструдера, точный контроль температуры в каждой зоне и при этом получать пленку, в которой один слой на 40 % толще с одной стороны и на 60 % тоньше с другой - или где связующий слой перемещается неравномерно, что ухудшает адгезию по всему рулону.
Большинство руководств по устранению неполадок указывают на выход экструдера или воздушный поток охлаждающего кольца как виновника. И эти переменные имеют значение. Но во многих случаях основная причина кроется дальше: в конструкции самой головки. Понимание того, как геометрия головки контролирует распределение слоев, является первым шагом к диагностике и предотвращению этих проблем.
Что на самом деле делает головка
ВМашина для выдувания трехслойной пленки-пленки, фильерная головка получает три отдельных потока расплава из трех экструдеров -, обычно сердцевинный слой и два поверхностных слоя -, и объединяет их внутри корпуса фильеры в единую совместно-экструдированную кольцевую структуру перед тем, как объединенный расплав выйдет через зазор фильеры в виде трубки.
Головка должна выполнять три задачи одновременно:
Равномерно распределите каждый поток расплава по всей окружности кольцевой матрицы на 360 градусов.
Укладывайте три слоя в правильной последовательности, не перемешивая и не дестабилизируя границу раздела между ними.
Контролируйте относительную толщину каждого слоя, управляя сопротивлением потоку расплава в каждом канале.
Если какая-либо из этих трех вещей пойдет не так -, а каждая из них может пойти не так, - по-разному, то результатом станет межслойная неоднородность-неоднородности.
Спиральная оправка против. Паучий кубик: фундаментальный выбор
В производстве используются две основные архитектуры головок.Машина для выдувания трехслойной пленки-пленки, и они по-разному справляются с распределением по окружности.
Паучья матрица (кольцевая матрица с паучьими ножками)
В паутинной матрице используются радиальные опорные ножки («паучьи ножки»), которые удерживают оправку в центре матрицы, при этом расплав обтекает ножки и рекомбинирует вниз по потоку. Линии сварки опор -, где разделённые потоки расплава соединяются -, являются фундаментальным недостатком этой конструкции. Линии сварных швов создают области механической слабости и, что более важно для многослойных пленок, точки, где толщина слоя может варьироваться. Слои не объединяются одинаково после разделения вокруг ножек.
Паутинные матрицы механически проще и дешевле, но в настоящее время они относительно редки в серьезном производстве многослойных пленок именно потому, что линии сварки нарушают однородность между слоями, особенно при применении барьерных пленок.
Спиральная оправка Die
Матрица со спиральной оправкой – доминирующая конструкция в современном производстве трех-пленочных пленок. В этой конструкции каждый поток расплава поступает в матрицу через центральное загрузочное отверстие, а затем течет в спиральную канавку, выточенную на поверхности оправки. По мере продвижения расплава по спирали он постепенно выходит за пределы спиральной площадки и распространяется по окружности за счет сочетания спирального потока и-осевого потока, управляемого давлением.
К тому времени, когда расплав достигает выхода из головки, он распределяется путем перекрытия нескольких спиральных каналов -, обычно от 4 до 8 спиралей на слой в современной головке -, что эффективно усредняет отклонения по окружности. В результате достигается значительно более равномерное распределение толщины, чем можно достичь с помощью крестообразной матрицы.
Как геометрия спирального канала контролирует однородность
В конструкции спиральной оправки конкретная геометрия каналов определяет, насколько хорошо распределяется каждый слой. Именно здесь конструкция головки становится по-настоящему сложной.
Шаг и глубина спирали
Шаг (расстояние между витками спирали) и глубина (поперечное-сечение канала) каждого спирального канала контролируют баланс между спиральным потоком (вдоль спирали) и осевым потоком (к выходу из матрицы). Более глубокий канал способствует более спиральному распределению перед переливом. Более мелкий канал приводит к тому, что расплав быстрее переливается и продвигается в осевом направлении.
Для равномерного распределения:
Слишком мелкий канал приводит к тому, что расплав продвигается преимущественно в осевом направлении от точки подачи, что приводит к изменению толщины рисунка, совмещенного с расположением порта подачи («жирное пятно» при 0 градусах и утончение при 180 градусах).
Слишком глубокий канал задерживает осевое продвижение и может вызвать повышение давления, которое дестабилизирует границу раздела расплава.
Оптимальная геометрия спирали зависит от вязкости расплава и скорости потока обрабатываемого материала -, поэтому штампы, предназначенные для LLDPE, не обязательно работают одинаково хорошо с HDPE или EVA без изменения конфигурации.
Количество стартов спирали
Большее количество спиралей на слой (количество отдельных спиральных каналов, питающихся от входного отверстия) означает большее перекрытие путей распределения по окружности, что более эффективно усредняет изменения толщины. В высокопроизводительных трех-слоевых матрицах для производства тонких барьерных пленок может использоваться от 6 до 8 спиральных заходов на слой. В экономичных матрицах для простой полиэтиленовой упаковки можно использовать только 4 штуки. Разница проявляется непосредственно в изменении толщины по окружности -, как правило, ±3 % для высококачественных многозаходных-матриц по сравнению с ±6–8 % для более простых конструкций.
Межслойная укладка: место встречи трех потоков расплава
Управление распределением по окружности для каждого слоя — это только часть проблемы. Слои также должны прилегать друг к другу контролируемым и стабильным образом, чтобы поддерживать заданное соотношение толщин.
Положение штабелирования
Слои можно комбинировать внутри матрицы двумя способами:
Внутренняя комбинация:Три потока расплава сливаются внутри корпуса головки, значительно выше выхода головки, и перемещаются как объединенный много-слойный расплав к зазору головки. Это дает больше времени для стабилизации интерфейса перед выходом, что снижает риск нестабильности слоев в зоне выхода матрицы. Однако для этого требуется точное соответствие вязкости между соседними слоями. - несовпадение вязкостей на границе раздела создает нестабильность инкапсуляции (слой с более низкой-вязкостью пытается мигрировать и окружить слой с более высокой-вязкостью.
Внешняя комбинация:Слои хранятся отдельно до самого выхода из матрицы, а затем объединяются в короткую финальную зону. Этот подход более прощает несоответствия вязкости, но дает меньше времени на стабилизацию.
В большинстве современных трех-форм для выдува пленки используется внутренняя комбинация с тщательно спроектированной переходной зоной, в которой слои сходятся постепенно, а не резко, что снижает риск нарушения границ раздела.
Длина земельного участка
Полка матрицы представляет собой параллельную секцию на выходе матрицы, где все три слоя сливаются вместе в кольцевом канале, а затем выходят в виде трубки. Большая длина земли:
Сглаживает разницу скоростей между слоями.
Позволяет стабилизировать границы раздела расплавов
Уменьшает различия в ориентации слоев,-вызванные потоком
Слишком короткая площадка приводит к тому, что слои не полностью уравновешиваются - один слой может двигаться быстрее, чем соседние слои, что создает сдвиг на границе раздела и неравномерную толщину слоя после выхода расплава и его расширения.
Типичная длина контактных площадок матрицы составляет от 15 до 30 мм для стандартных применений пленок, полученных экструзией с раздувом, а более длинные площадки используются для тонких барьерных пленок или материалов с высокой-вязкостью.
Расположение порта подачи и баланс давления
Каждый из трех экструдеров соединяется с фильерной головкой через порт подачи. Расположение и геометрия этих портов подачи влияют на однородность, и это легко не заметить.
Симметричная подача
В хорошо спроектированной головке-три отверстия подачи расположены таким образом, чтобы каждый поток расплава входил с одинаковым перепадом давления от отверстия подачи до выхода головки. Асимметричное расположение порта подачи приводит к неравномерному распределению давления по окружности, что проявляется в виде постоянной толщины/тонкости в конечной пленке -, обычно синусоидальной формы с пиком в месте расположения порта подачи.
Кросс-Хед против. Ориентация штампа стека
Крестообразная-матрица:Экструдеры подают материал сбоку, перпендикулярно оси матрицы. Механически проще, но поворот потока расплава на 90 градусов создает асимметрию давления, для компенсации которой требуется тщательная геометрия канала.
Стековые штампы (встроенные):Экструдеры подают материал вдоль оси матрицы. Более сложна в изготовлении, но симметричная геометрия подачи облегчает достижение равномерного распределения.
Градиент температуры внутри корпуса матрицы
Вязкость расплава-чувствительна к температуре. Если разные части корпуса штампа имеют разную температуру - из-за неравномерного нагрева, потерь тепла в окружающую среду или проводимости из одного канала в другой -, вязкость расплава изменяется, что приводит к изменению сопротивления потоку и распределения толщины.
В современных трех-головках используются несколько независимо управляемых зон нагрева:
Отдельные зоны для корпуса, оправки и матрицы.
Нагреватели с ПИД--управлением и обратной связью от термопары в нескольких точках
Изоляция между зонами для предотвращения миграции тепла между каналами.
Изменение температуры даже на 5 градусов по всему штампу может привести к изменению вязкости ЛПЭНП на 15–20 %, чего достаточно, чтобы вызвать измеримую неоднородность толщины.-Неравномерность толщины. Вот почему контроль температуры головки так же важен, как и геометрия головки - хорошо сконструированная головка, работающая при плохо контролируемых температурах, все равно будет производить пленку переменной величины.
Регулировка зазора матрицы и ее ограничения
Зазор матрицы - кольцевая щель между кончиком оправки и кольцом матрицы, через которую выходит расплав -, контролирует общую толщину пленки и скорость потока. Большинство производственных матриц включают ручную или автоматическую систему регулировки зазора матрицы (обычно от 8 до 16 отдельных регулировочных болтов или автоматическую систему гибких-кромок), которая позволяет операторам компенсировать неравномерность толщины-на выходе из матрицы.
Однако регулировка зазора матрицы является инструментом коррекции, а не заменой хорошей конструкции матрицы. Регулировка зазора матрицы для компенсации проблемы распределения, создаваемой геометрией спирального канала или асимметрией канала подачи, приводит к тому, что зазор матрицы становится неравномерным по окружности -, что создает вторичные проблемы, включая нестабильность потока расплава, отложения на кромке фильеры и физическое повреждение кромки фильеры с течением времени.
Если для достижения однородной толщины пленки требуется изменение зазора матрицы по окружности более чем на ±1,5 мм, то основной причиной почти наверняка является проблема конструкции или состояния матрицы, которую необходимо решать напрямую.
Практические последствия для кинопродюсеров
Понимание того, как конструкция штампа влияет на однородность промежуточных слоев, имеет прямое значение для выбора оборудования, устранения неполадок в процессе и технического обслуживания:
При покупке или указании машины:Запросите количество витков спирали на слой, метод комбинирования штампов (внутренний или внешний) и конфигурацию температурной зоны. Поставщик, который не может четко ответить на эти вопросы, является тревожным сигналом.
При устранении неполадок с изменением толщины:Прежде чем регулировать зазор матрицы или охлаждающее кольцо, нанесите на карту схему изменения по ширине валка и по окружности. Синусоидальная форма с пиком в одном и том же месте указывает на проблему с геометрией подающего порта или спиральным каналом. Случайные изменения в рулоне, скорее всего, являются проблемой охлаждения или стабильности пузырьков.
Для обслуживания:Чистота штампа напрямую влияет на распределение. Сгоревший или разложившийся материал в спиральном канале создает локальное сопротивление потоку, которое приводит к появлению толстых/тонких полос. Регулярные графики чистки - с правильной разборкой и проверкой матрицы - необходимы для поддержания производительности распределения, для которой была разработана матрица.
Заключение
Головка штампаМашина для выдувания трехслойной пленки-пленкиявляется наиболее влиятельным компонентом для однородности промежуточного слоя - больше, чем экструдеры, больше, чем охлаждающее кольцо, и больше, чем регулировка параметров процесса. Геометрия спирального канала контролирует распределение по окружности. Конструкция штабелирования и площадки контролирует стабильность промежуточного слоя. Геометрия подающего порта и температурное зонирование определяют, действительно ли замысел проекта реализуется в производстве.
Операторы и инженеры, которые понимают эти взаимосвязи, могут быстрее диагностировать проблемы с однородностью толщины, принимать более разумные решения о покупке оборудования и получать более стабильное качество пленки на уже эксплуатируемых линиях.
