实验7--聚乙烯吹塑薄膜成型-(2)

实验7聚乙烯吹塑薄膜成型一、目的要求1、了解单螺杆挤出机、吹膜机头及辅机的结构和工作原理2、了解塑料的挤出吹胀成型原理；掌握聚乙烯吹膜工艺操作过程、各工艺参数的调节及成膜的影响因素二、原理塑料薄膜是一类重要的高分子材料制品。由于它具有质轻、强度高、平整、光洁和透明等优点，同时其加工容易、价格低廉，因而得到广泛的应用。塑料薄膜可以用多种方法成型，如压延、流涎、拉幅和吹塑等方法，各种方法的特点不同，适应性也不一样。压延法主要用于非晶型塑料加工，所需设备复杂，投资大，但生产效率高，产量大，薄膜的均匀性好。流涎法主要也是用于非晶型塑料加工，工艺最简单，所得薄膜透明度好，具各向同性，质量均匀，但强度较低，且耗费大量溶剂，成本增加，于环保也不利。拉幅法主要适用于结晶型塑料，工艺简单，薄膜质量均匀，物理机械性能最好，但设备投资大。吹塑法最为经济，工艺设备都比较简单，结晶和非晶型塑料都适用，既能生产窄幅，又能生产宽达10m的膜，吹塑过程塑料薄片的纵横向都得到拉伸取向，制品质量较高，因此得到最广泛的应用。吹塑成型也即挤出－吹胀成型，除了吹膜以外，还有中空容器成型。薄膜的吹塑是塑料从挤出机口模挤出成管坯引出，由管坯内芯棒中心孔引入压缩空气使管坯吹胀成膜管，后晶空气冷却定型、牵引卷绕而成薄膜。吹塑薄膜通常分为平挤上吹、平挤平吹和平挤下吹等三种工艺，其原理都是相同的。薄膜的成型都包括挤出、初定型、定型、冷却牵伸、收卷和切割等过程。本实验是低密度聚乙烯的平挤上吹法成型，是目前最常见的工艺。塑料薄膜的吹塑成型是基于高聚物的分子量高、分子间力大而具有可塑性及成膜性能。当塑料熔体通过挤出机机头的环形间隙口模而管坯后，因通入压缩空气而膨胀为膜管，而膜管被夹持向前的拉伸也促进了减薄作用。与此同时膜管的大分子则作纵、横向的取向作用，从而使薄膜强化了其物理机械性能。为了取得性能良好的薄膜，纵横向的拉伸作用最好是取得平衡，也就是纵向的拉伸比（牵引膜管向上的速度与口模处熔体的挤出速度之比）与横向的空气膨胀比（膜管的直径与口膜直径之比）应尽量相等。实际上，操作时，吹胀比因受到冷却风环直径的限制，吹胀比可调节的范围是有限的，而且吹胀比又不宜过大，否则造成膜管不稳定。由此可见，拉伸比和吹胀比是很难一致的，也即薄膜的纵横向强度总有差异的。在吹塑过程中，塑料沿着螺杆向机头口模的挤出以致成膜，经历着粘度、相变等一系列的变化，与这些变化有密切关系的是螺杆各段的温度、螺杆的转速是否稳定，机头的压力、风环吹风及室内空气冷却以及吹入空气压力，膜管拉伸作用等相互配合与协调都直接影响薄膜性能的优劣和生产效率的高低。1、各段温度和机外冷却效果是最重要的因素。通常，沿机筒到机头口模方向，塑料的温度是逐步升高的，且要达到稳定的控制。各部位温差对不同的塑料各不相同。本实验对LDPE吹塑，原则上机身温度依次是130℃，150℃，170℃递增，机头口模处稍低些。熔体温度升高，粘度降低，机头压力减少，挤出流量增大，有利于提高产量。但若温度过高和螺杆转速过快，剪切作用过大，易使塑料分解，且出现膜管冷却不良，这样，膜管的直径就难以稳定，将形成不稳定的膜泡“长颈”现象，所得泡（膜）管直径和壁厚不均，甚至影响操作的顺利进行。因此，通常是控制稍低一些的熔体挤出温度和速度。2、风环是对挤出膜管坯的冷却装置，位于离模管坯的四周。操作时可调节风量的大小控制管坯的冷却速度，上、下移动风环的位置可以控制膜管的“冷冻线”。冷冻线对结晶型塑料即相转变线，是熔体挤出后从无定型态到结晶态的转变。冷冻线位置的高低对于稳定膜管、控制薄膜的质量有直接的关系。对聚乙烯来说，当冷冻线低，即离口模很近时，熔体因快速冷冻而定型，所得薄膜表面质量不均，有粗糙面；粗糙程度随冷冻线远离口模而下降，对膜的均匀性是有利的。但若使冷冻线过分远离口模，则会使薄膜的解决度增大，透明度降低，且影响其横向的撕裂强度。冷却风环与口模距离一般是30～100mm。3、若对管膜的牵伸速度太大，单个风环是达不到冷却效果的，可以采用两个风环来冷却。风环和膜管内两方面的冷却都强化，可以提高生产效率。膜管内的压缩空气除冷却外还有膨胀作用，气量太大时，膜管难以平衡，容易被吹破。实际上，当操作稳定后，膜管内的空气压力是稳定的，不必经常调节压缩空气的通入量。膜管的膨胀程度即吹胀比，一般控制在2～6之间。4、牵引也是调节膜厚的重要环节。牵引辊与挤出口膜的中心位置必须对准，这样能防止薄膜卷绕时出现的折皱现象。为了取得直径一致的膜管，膜管内的空气不能漏失，故要求牵引辊表面包复橡胶，使膜管与牵引辊完全紧贴着向前进行卷绕。牵引比不宜太大，否则易拉断膜管，牵引比通常控制在4～6之间。三、仪器设备和原料主要仪器设备：1.SJ－20单螺杆挤出机。主要技术参数：螺杆直径（D）20mm螺杆长径比（L/D）20螺杆转速（n）12～120r/min生产能力（Q）（LDPE）3.6kg/h驱动电机（直流）0.8kw1500r/min机筒加热（三段电阻加热器）每段0.3kw，共0.9kw2.芯棒式吹膜机头口模（见图33-1）。3.冷却风环。4.牵引、卷取装置。5.空气压缩机。6.称量、测厚仪、实验工具等。原料为LDPE（吹膜型）。四、实验程序1.挤出机的运转和加热。（1）螺杆转速控制。本机螺杆与电机之间，采用定比传动，无其他调变速装置。螺杆的转速稳定和升降取决于电动机的转数稳定和快慢。直流电动机调速是依靠桥式可控硅整流电路和触发电路来实现的。（2）温度控制。机筒分段进行加热和冷却的控制。每段分别设有电阻加热器及冷却风机。加热器及风机的接通和切断由三位手动转换开关控制。电阻加热器由动圈式温度指示调节仪自动控制。按照挤出机的操作规程，接通电源，开机运转和加热。检查机器运转、加热和冷却是否正常。机头口模环形间隙中心要求严格调正。对机头各部分的衔接、螺栓等检查并趁热拧紧。根据实验原料LDPE的特性，初步拟定螺杆转速及各段加热温度，同时拟定其他操作工艺条件。2．DPE预热。最好放在70℃左右烘箱预热1～2h。3．当机器加热到预定值时，开机在慢速下投入少量的LDPE粒子，同时注意电流表，压力表、温度计和扭矩值是否稳定。待熔体挤出成管坯后，观察壁厚是否均匀，调节口模间隙，使沿管坯周围上的挤出速度相同，尽量使管膜厚度均匀。4．以手将挤出管坯慢慢向上使沿牵引辊前进，辅机开动，通入压缩空气并观察泡管的外观质量。根据实际情况调整各种影响因素，如挤出流量、风环位置和风量、牵引速度、膜管内的压缩空气量等。5．观察泡管形状变化，冷冻线位置变化及膜管尺寸的变化等，待膜管的形状稳定、薄膜折径已达实验要求时，不再通入压缩空气，薄膜的卷绕正常进行。6．以手工卷绕代替绕辊工作，卷绕速度尽量不影响吹塑过程的顺利进行。裁剪手工卷绕一分钟的薄膜成品，记录实验时的工艺条件；称量卷绕一分钟成品的重量并测量其长度、折径及厚度公差。手工卷绕实验重复两次。7．实验完毕，逐步降低螺杆转速，挤出机内存料，趁热清理机头和衬套内的残留塑料。8．注意事项：（1）熔体被挤出前，操作者不得位于口模的正前方，以防意外伤人。操作时严防金属杂质和小工具落入挤出机筒内。操作时要带手套。（2）清理挤出机和口模时，只能用铜刀、棒或压缩空气，切忌损伤螺杆和口模的光洁表面。（3）吹塑管坯的压缩空气压力要适当，即不能使管坯破裂，又能保证膜管的对称稳定。（4）吹塑过程要密切注意各项工艺条件的稳定，不应该有所波动。五．实验现象分析与计算1.分析实验现象和实验所得的膜管外观质量与实验工艺条件等的关系。答：A、薄膜透明度不高：故障原因：①挤出温度偏低，树脂塑化不良，造成吹塑后薄膜的透明性较差；②吹胀比过小；③冷却效果不佳，从而影响了薄膜的透明度；④树脂原料中的水分含量过大；⑤牵引速度太快，薄膜冷却不足。解决办法：①适当提高挤出温度，使树脂能够均匀塑化；②适当提高吹胀比；③加大风量，提高冷却效果；④对原料进行烘干处理；⑤适当降低牵引速度。B、薄膜出现皱折：故障原因：①薄膜厚度不均匀；②冷却效果不够；③吹胀比太大，造成膜泡不稳定，左右来回摆动，容易出现皱折；④人字夹板的夹角过大，膜泡在短距离内被压扁，因此薄膜也容易出现皱折；⑤牵引辊两边的压力不一致，一边高一边低；⑥各导向辊之间的轴线不平行，影响薄膜的稳定性和平展性，从而出现皱折。解决办法：①调整薄膜的厚度，保证厚度均匀一致；②提高冷却效果，保证薄膜能够充分冷却；③适当降低吹胀比；④适当减小人字夹板的夹角；⑤调整牵引辊的压力，保证薄膜受力均匀；⑥检查各导向轴的轴线，并使之相互平行。C、薄膜厚薄不均：薄膜的厚度偏厚:故障原因：①模口间隙和挤出量偏大，因此薄膜厚度偏厚；②冷却风环的风量太大，薄膜冷却太快；③牵引速度太慢。解决办法：①调整模口间隙；②适当减小风环的风量，使薄膜进一步吹胀，从而使其厚度变薄一些；③适当提高牵引速度。薄膜的厚度偏薄:故障原因：①模口间隙偏小，阻力太大，因此薄膜厚度偏薄；②冷却风环的风量太小，薄膜冷却太慢；③牵引速度太快，薄膜拉伸过度，从而使厚度变薄。解决办法：①调整模口间隙；②适当增大风环的风量，加快薄膜的冷却；③适当降低牵引速度。D、薄膜有雾状水纹：故障原因：①挤出温度偏低，树脂塑化不良；②树脂受潮，水分含量过高。解决办法：①调整挤出机的温度设置，并适当提高挤出温度。②将树脂原料烘干，一般要求树脂的含水量不能超过0.3％。E、薄膜表面粗糙，凹凸不平故障原因：①挤出温度太低，树脂塑化不良；②挤出速度太快。解决办法：①调整挤出的温度设置，并适当提高挤出温度，保证树脂塑化良好；②适当降低挤出速度。F、薄膜有异味故障原因：①树脂原料本身有异味；②熔融树脂的挤出温度太高，造成树脂分解，从而产生异味；③膜泡冷却不足，膜泡内的热空气没有排除干净。解决办法：①更换树脂原料；②调整挤出温度；③提高冷却风环的冷却效率，使膜泡充分冷却。六、思考题1．影响吹塑薄膜厚度不均匀性的因素是什么以及解决办法？答：故障原因：①模口间隙的均匀性直接影响薄膜厚度的均匀性，如果模口间隙不均匀，有的部位间隙大一些，有的部位间隙小一些，从而造成挤出量有多有少，因此，所形成的薄膜厚度也就不一致，有的部位薄，有的部位厚；②模口温度分布不均匀，有高有低，从而使吹塑后的薄膜薄厚不均；③冷却风环四周的送风量不一致，造成冷却效果的不均匀，从而使薄膜的厚度出现不均匀现象；④吹胀比和牵引比不合适，使膜泡厚度不易控制；⑤牵引速度不恒定，不断地发生变化，这当然就会影响到薄膜的厚度。解决办法：①调整机头模口间隙，保证各处均匀一致；②调整机头模口温度，使模口部分温度均匀一致；③调节冷却装置，保证出风口的出风量均匀；④调整吹胀比和牵引比；⑤检查机械传动装置，使牵引速度保持恒定。2、吹塑薄膜的纵向和横向的机械性能有没有差异？为什么？答：吹塑薄膜的纵向和横向的机械性能是有差异的：在横向的的拉伸强度较差，在纵向的拉伸强度较好；这主要是由于：纵向的拉伸比较大，横向的拉伸比较小，薄膜的双向拉伸取向程度不等，分子链沿纵向的取向较多较好。但生产中只需要在一个方向上对薄膜的强度有要求，这样可通过调整拉伸比来实现强度分配。有时纵向的拉伸强度较差，这可能是由于①熔融树脂的温度太高，会使薄膜的纵向拉伸强度下降；②牵引速度较慢，薄膜纵向的定向作用不够，从而使纵向的拉伸强度变差；③吹胀比太大，同牵引比不匹配，使薄膜横向的定向作用和拉伸强度提高，而纵向的拉伸强度就会变差；④膜的冷却速度太快。解决办法：①适当降低熔融树脂的温度；②适当提高牵引速度；③调整吹胀比，使之与牵引比相适应；④适当降低冷却速度。有时薄膜横向拉伸强度差可能是由于①牵引速度太快，同吹胀比相差太大，使纵向产生纤维化，横向强度就变差；②冷却风环的冷却速度太慢。可以通过①适当降低牵引速度，使之与吹胀比相配合；②加大风环风量，使吹胀膜快速冷却，避免在较高温度的高弹态下被拉伸取向等解决办法来解决。3、吹膜产品还可能出现的哪些质量问题？答：A、薄膜太粘，开口性差故障原因：①树脂原料型号不对，不是吹膜级的低密度聚乙烯树脂粒子，其中不含开口剂或者开口剂的含量偏低；②熔