為薄膜和片板材生產提供專業而全面的組件

文/Nordson塑料工程系統（PPS）Teong HK

中國的薄膜和片板材市場正快速增長，越來越多的加工商需要能夠降低成本、提高產量并增加利潤的技術。Nordson能夠為薄膜和片板材的擠出提供全面而專業的組件，包括螺桿、料筒、熔體輸送組件和擠出模頭，助力該領域的加工企業實現高效、優質的生產。

如今，Nordson 已經成為薄膜和片板材擠出所使用的多個關鍵組件的單一供應商，可以根據客戶需要訂制用于流延膜和片板材生產的平模頭、熔體輸送系統中的調節和過濾組件以及塑化系統中的螺桿和料筒：

可實現快速更換作業的片板材模頭

對于片板材的生產，Nordson的SmartGap?創新系統能使加工商以前所未有的速度改變產品厚度，輕松擴大產品的厚度范圍而不影響片板材的質量。該系統采用單點調整機制，能在改變模唇間隙的同時調節模頭定型區的寬度，從而在整個流程中調節背壓。通過這種智能化的設計，SmartGap?系統不僅節省了工藝時間，還能確保最終產品的質量。

另外，SmartGap?系統還將更換作業的時間從以前的至少2 h縮短至幾分鐘，避免了因更換模唇組件而延長停機時間，同時還克服了以前的模頭因更改的復雜性而導致的厚度范圍受限。SmartGap?系統的調節范圍超過10.2 mm，使加工商每天都能在高效經營的同時方便地更換多種產品。在某種程度上，SmartGap?還能在改變厚度時通過對齊模唇面和模頭定型區來提高產品的質量和一致性。

現在，Nordson已經開發了一款數字工具來比較帶可拆除下模唇的標準片板材模頭與SmartGap?模頭的成本。此工具名為“SmartGap Payback Analysis”，供片板材加工商計算改用SmartGap?技術的投資回報時間。加工商可以訪問http://www.nordson.com/en/divisions/polymer-processing-systems/support/calculators進行在線評估。

SmartGap Payback Analysis用戶需要輸入兩類信息：一是帶可拆除下模唇的標準片板材模頭和SmartGap?模頭的一次性設備投資成本；二是工藝數據，包括模頭長度、產出速率、模唇間隙和模唇更換次數、工作天數、原材料成本、產品預估售價與片板材生產線每小時承擔的成本。

根據這些輸入內容，SmartGap Payback Analysis能計算出:兩種系統的日產出量，包括停工時間、遺漏產量、停工成本、遺漏的產品毛利和總停工成本；對比更換模唇所需的時間與改變SmartGap?模頭間隙所需的時間；估算出SmartGap?系統最終完全收回投資所需的時間。

通常，只需短短數月即可。

SmartGap?模頭

用于流延膜的多種可選方案

Nordson已經調整了在全球使用15年的擠出模頭技術，此技術現隸屬于Uniflow?品牌，作為流延膜Contour?模頭的可選補充方案。

隨著Uniflow?模頭的加入，Nordson的流延膜用技術產品日益增多，加之該公司最近在膜厚控制系統和喂料塊調節方面的創新，加工商可以選擇一套完全滿足其性能要求的系統組件：

1.Contour? 模頭

這款流延膜模頭在市場中處于技術領先水平，其獨特的“雕塑成型”技術，在提高產品質量、加快原材料轉換和延長使用時間方面發揮了非常關鍵的作用。此模頭的特殊形狀設計可補償在模頭范圍內因模體變形而造成的差異量；拉長淚滴型歧管截面可減少共擠應用中的粘性包圍；非線性預成型和歧管界面，可消除或大幅減少“M”或“W”料流模式。

與標準流延膜模頭相比，Contour?模頭可有效減少最終產品的厚度偏差，使產品的橫向均勻性得到提高。其另一個優于標準模頭的特點是通用性非常明顯，能縮短可銷售產品的啟動時間（10～15 min，標準模頭為 30～60 min）、產品更換時間（10～15 min，標準模頭至少90 min）及清理時間（20～25 min， 標準模頭至少40 min）。由于還能避免凝膠和降解，因此Nordson建議在使用熱敏材料（如阻隔樹脂）或更換頻率較高的應用中采用Contour?模頭。

Uniflow?流延膜模頭

2.Uniflow?模頭

此模頭為采用變化率較低的熱穩定樹脂（如拉伸膜）進行高速生產提供了一種經濟實惠的選擇。其通用的流道適合各種樹脂和加工參數，細長淚滴型的歧管截面便于在共擠時保持均勻性。另外，這款模頭卓越的機械穩定性縮短了產品周期間的更換時間。

3.多歧管模頭

Nordson也提供多歧管模頭來專門滿足不同黏度的材料和包邊要求，以替代配備共擠喂料塊的單歧管模頭。這些模頭能夠生產表層厚度低于整體厚度10%的共擠結構，加工熔融溫差高達28 ℃的聚合物。最近，Nordson率先開發出九歧管復合共擠模頭。

上述這些模頭僅是Nordson產品的一部分，其他用于流延膜應用的產品還包括Autoflex?自動膜厚控制系統、Ultraflow?共擠喂料塊、雙腔真空箱和UltraSplit?在線模頭拆分設備。最近，Nordson針對這些系統組件進行了創新。其中，Autoflex?VI-RE膜厚控制系統在不增加響應時間的情況下，其模唇調節系統的沖程已經增加43%，因此，無需手動干預即可實現許多工藝變化；新型Ultraflow? V-T喂料塊可以微調各層，適應層比例的變化，而不必將整個喂料塊從生產線上拆下。

熔體輸送組件

在聚合物熔體進入薄膜或片板材模頭前，熔體輸送組件負責對其進行限制和過濾。Nordson的熔體輸送組件包括換網器、過濾系統、齒輪泵和閥，這些產品隸屬于BKG?品牌。

1.熔體過濾系統

Nordson提供一系列BKG熔體過濾系統，包括成本較低的手動換網器（操作員需使用手柄或操作桿更換干凈濾網）、滑板系統、非連續式換網器（在換網時需停止生產）以及連續式換網器（擁有兩個或兩個以上濾網室，在其中一個濾網進行反沖洗時，其他網始終保持生產狀態）。

BKG換網器的最新創新是讓過濾網組合能夠更有效地承受擠出壓力、提供盡可能大的有效過濾面積和理想的熔體流，并確保其可靠性和工作壽命優于市場中的同類產品。

而提高新過濾系統性能的一個關鍵是可靠的多層結構，防止因過濾中高達200 Pa的壓差而導致的故障。其中的一種故障類型是“過濾網凹陷”，即機械應力迫使過濾網層陷入腔內支撐過濾網的多孔板的孔中。這會導致過濾網變形、外部密封折斷、污染物穿過過濾網進入最終產品中。

對此，Nordson專門訂制了尺寸等于腔尺寸的過濾網組合，避免污染物透過過濾網邊緣這種常見問題。所有過濾網組合中的組件都在制造過程中通過超聲得到預先清洗，以免受到織造工藝中的油和潤滑脂的污染。

不僅如此，Nordson還能根據客戶要求提供配有不同層組合的過濾網組合，常見結構之一就是4層組合，包括用作外部組件的兩個方形粗織層和一個方形內部細織層。它們具有支撐和排水功能且能承受高拉力。第四層為細過濾組件，采用了優化的荷蘭金屬絲網。這種網層的小孔徑擁有高滲透性。過濾方向與熔體流方向交叉，以便從熔體中有效分離塵埃顆粒。

BKG?4層過濾網組合

2.齒輪泵

齒輪泵又被稱為“熔體泵”，是一種準確計量設備，能避免擠出螺桿出現波動、降低背壓并提高聚合物產量。Nordson已經研發出新一代BKG齒輪泵——BlueFlow?，這款產品得到了以下改進：

（1）能更有效地輸送熔體，在不提升轉速的情況下，將產量提高多達15%；或者在降低轉速以便減小聚合物熔體所受剪切應力的情況下，確保產量不降低。

（2）密封性能更好，密封選項更多。全系列密封類型已在全球上市。除了空氣冷卻和水冷系統，還推出了帶冷卻風扇的可選設計。

（3）對熔體參數的控制增強：新齒輪泵在進料和出料側裝有壓力和溫度傳感器，使熔體更加均勻、質量更好。

BlueFlow?齒輪泵

最近，位于美國加利福尼亞州弗農的rPlanet Earth公司（占地28 060 m2）在其工廠中的三條Welex?板材生產線上安裝了BKG換網器和齒輪泵，以及隸屬Extrusion Dies Industries的片板材模頭。該工廠是全球首家一條龍式整合工廠，能將路邊收集的瓶子、翻蓋式容器和其他包裝廢物，經過一系列分類和清潔程序后，研磨成薄片，然后經過嚴格的洗滌和去污處理，并根據最終使用要求提高材料的特性黏度(IV)，將其加工成食品級板材、熱成型容器和用于瓶子的注塑模壓瓶胚。

rPlanet Earth公司發言人表示：“BKG換網器的內嵌反沖洗功能非常有吸引力，有了此自清潔功能，我們可以避免由于濾網積聚污染物而導致的停機。此外，Nordson的 Extrusion Dies Industries模頭在PET板材加工方面也久經考驗。”

為吹塑膜和流延膜設計的螺桿

Nordson的Xaloy?螺桿專為薄膜加工而打造，在其設計過程中，Nordson的工程師充分利用了多年積累的螺桿設計數據庫以及Nordson的樹脂流變學數據庫（包含數千條數據）。在該公司的流變實驗室中，客戶可以送微量材料樣本進行免費檢定。

設計用于流延膜和吹塑膜的螺桿時，有幾項需要重點考慮的因素，包括：

1.螺桿擠出量

螺桿必須以能滿足加工商預期產量的速率輸送優質聚合物熔體。為了在薄膜加工中實現高產，這一點尤為關鍵。

2.熔體質量

Xaloy Fusion?螺桿

熔體的溫度和壓力、著色劑的效率、是否含膠、聚合物是否降解或者是否存在其他缺陷將明顯影響薄膜產品的力學、光學性能以及外觀，而這些因素直接受螺桿設計的影響。

3.熔體溫度

熔體溫度不僅會對薄膜性能產生明顯影響，也與生產率密切相關，因為下游的冷卻需求會限制薄膜生產線的產量。而螺桿的設計決定了剪切生熱和料筒加熱間的平衡，直接影響輸送入模頭的熔體溫度。

4.厚度均勻性

熔體穩定、均勻的熱性質對薄膜厚度的均勻性非常重要。正確設計的螺桿（通常配合齒輪泵）能使模頭保持厚度均勻的剖面。

由于熔體質量是薄膜生產中尤為關鍵的因素，因此用于薄膜加工的螺桿設計通常包含標準或通用螺桿所沒有的特殊要素，如能降低熔融后剪切應力（尤其在螺桿高速運行下）的屏障段；用于改善熔體色散度和均質性的分散式或分配式混煉段。

屏障段通常處于過渡階段，此階段中有固體粒料、未完全熔融的粒料以及完全熔化的熔體。而屏障段設有兩個凹槽——固體槽和熔體槽，用于將熔體與固體粒料、未完全熔融的粒料分開，以各自執行不同的功能。

其中，熔體槽很深，能降低聚合物熔融后的剪切應力。而固體槽很窄和/或很淺，因而未熔融的顆粒能抵著料筒以便通過摩擦進行有效熔融。

從屏障段出來的熔融聚合物已經非常均勻，但在許多情況下，屏障段的下游還設有混煉段。對于此類應用，可以采用Nordson的Xaloy Fusion?屏障式螺桿。采用該螺桿進行加工時，從最初屏障段出來的材料在短計量段中得到重新混合，而后進入第二個屏障區段，此屏障區段可以更細致地混合大量材料并不斷輸送。因此，這款螺桿能提供優質、均勻的熔體，并將剪切力和熔融溫度降至盡可能低的水平。Nordson建議用Fusion?螺桿加工諸如聚烯烴和PET等常用于高產量薄膜生產的樹脂。

與傳統螺桿相比，Fusion?螺桿能在較低剪切力和溫度下實現更高的產量，因此很多大型薄膜生產商已經在其擠出生產線上采用Fusion?螺桿替代了傳統螺桿。

Fusion?螺桿的設計還能最大限度地減少交聯和降解，以防止凝膠（會在最終薄膜制品中導致黑斑）產生。此類凝膠通常由過熱或滯留在流道內的聚合物產生。在混煉段中，這類降解可能出現在外徑大幅減小或螺棱半徑小的地方。而Fusion?螺桿中用于混煉的槽深變動與平滑過渡，使熔體流更加流暢，能有效防止降解。

凝膠問題在薄膜生產中尤為棘手，因為它們可能在薄膜拉伸時導致斷裂，故而務必要準確確定形成凝膠的根本原因。例如，與交聯或降解產生的凝膠不同，未熔融材料導致的凝膠顏色與周圍材料一樣，且隨著擠出速率的增加，此問題也會隨之加重。對于高產量的生產線，Nordson建議使用屏障式螺桿和/或有混煉段的螺桿，如Fusion?螺桿一樣。

與薄膜擠出密切相關的另一問題是由過窄的模唇間隙引起的過高擠出壓力。這一壓力是在多孔板前端的螺桿頭處測得，范圍通常在3 500～7 000 psi（24.13～48.26 MPa）。為了克服過高的排出壓力，螺桿上會設計出多處凹槽以便分離物料，水冷進料段。這些凹槽能固定住顆粒，避免它們隨著螺桿轉動，迫使它們向著進料段的排料端軸向移動。此類進料口能迅速提高固體輸送速度，在螺桿的開始部分產生較高內壓，這樣就可以克服有限的模唇間隙導致的高排出壓力，同時還保持高擠出速度。

另外，螺桿制造商在設計螺桿時還要考慮槽式進料要求。由于槽式進料設備需要非常高的產量，因此低剪切力的Fusion?螺桿可能并不適合。在這種情況下，Nordson通常建議使用帶分散式混煉段或分配式混煉段的屏障式螺桿。