共挤吹膜工艺中出现的常见问题有哪些？解决办法呢

吹膜工业已经从单层膜结构发展到多层膜结构，用于各种食品和非食品包装应用。根据产品的要求，各种各样的材料可以被整合到薄膜结构中，以获得所需的性能。
在这一领域工作的工艺工程师必须对聚合物流变学有基本的了解，以便正确指定设备和选择工艺条件。如果不充分了解聚合物的特性，在加工过程中会发生不必要的层间相互作用，这可能会导致薄膜的缺陷。

流变学是对材料变形和流动的研究。材料所经历的变形和流动程度取决于其流变性。对于聚合物，这些性能取决于物理特性，例如分子量（MW）、分子量分布（MWD）、长链支化（LCB）和熔融温度。在吹膜共挤出中，要考虑的最重要的流变性质是剪切粘度、粘性耗散和伸长粘度。

剪切粘度是材料经受剪切流动的阻力的量度，并且受剪切应力和剪切速率的影响。剪切应力定义为施加在材料上的每单位面积的力，而剪切速率定义为材料的变形率。

聚合物是非牛顿流体，因此其粘度在剪切速率变化时不会保持恒定。通常，聚合物的剪切粘度将随着剪切速率的增加而降低，这种行为称为剪切稀化。聚合物剪切变稀的速度决定了它的加工方式。例如，高度支化的聚合物比线性聚合物对剪切更敏感，因此，在较高的剪切速率下，剪切粘度将更快地下降。处理高粘性材料将导致熔体温度升高，压头升高，并且需要更多的挤出机施加扭矩.

当聚合物被剪切时，其分子结构内的链缠结开始解开。这种解缠过程会产生热量，这种现象称为粘性耗散。粘性耗散与所施加的剪切速率和聚合物粘度均成比例，这意味着聚合物粘度和/或剪切速率的增加将导致熔体温度的增加。这种现象会在挤出机机筒和熔体之间产生温度梯度。如果没有适当考虑，熔融温度的升高可能导致聚合物过热和降解。

伸长粘度定义为材料的抗拉伸性。类似于剪切粘度，聚合物的伸长粘度将取决于其分子结构。具有高LCB度的聚合物将具有高的伸长粘度，因为长的支链在延伸过程中相互缠结。可以在不发生材料断裂的情况下施加到熔体的最大张力称为熔体强度。伸长粘度较高的材料将具有较高的熔体强度。聚合物的熔体强度将影响在吹膜挤出中形成的气泡的稳定性。具有较低熔体强度的材料更难加工，因为它在气泡形成过程中在拉伸时会更容易断裂。

常见问题和故障排除技术

尽管生产多层膜是有利的并且为改善膜性能提供了机会，但是增加的结构复杂性给工艺工程师带来了新的挑战。为了成功生产多层膜，要考虑四个关键因素：1）聚合物选择，2）工艺设备设计，3）层排列和4）工艺条件。当未充分考虑这些因素中的一个或多个时，就会出现吹膜共挤出的问题。与吹膜共挤相关的五个常见问题以及每种问题的故障排除技术将在下面详述。

1.气泡不稳定性：术语“气泡不稳定性”涵盖许多与挤出气泡稳定性相关的问题。主要问题包括气泡破裂、应变硬化、不稳定的霜冻线和气泡颤动。

气泡破裂：当离开模具的熔融材料过度拉伸时，就会发生气泡破裂，从而导致气泡结构破裂。当挤出材料的熔体强度不足以达到选定的吹胀比（BUR）时，就会发生这种情况。为了避免这个问题，可以对树脂的选择进行修改，以将更高熔体强度的材料结合到薄膜结构中，以提高整体熔体强度。这样的一个示例是将低密度聚乙烯（LDPE）合并到线性低密度聚乙烯（LLDPE）薄膜中，以提高其总体熔体强度。

应变硬化：当熔融聚合物在纵向（MD）上快速拉伸并因此变硬时，就会发生应变硬化。这引起内部气泡压力和气泡宽度的波动。可以通过降低回撤率来避免此问题。另一种解决方案是改变树脂的选择，以降低薄膜的总体伸长粘度，使薄膜在MD上拉伸更多，而不会发生任何应变硬化。

霜线不稳定：在稳定的过程中，霜线将保持在模具上方的恒定高度，并受冷却速度，模具产量和膜厚均匀性的控制。当过程变得不稳定时，霜冻线的位置也会变得不稳定。这种不稳定性的一个原因是挤出物中的温度分布不均匀。

熔体温度的变化可能源于所选树脂的螺杆设计不正确，螺杆磨损或加热器或热电偶故障。在合并之前，应为每股物流获取熔体温度，以确定哪个熔体层是温度变化的根源。一旦定位，就可以将螺钉卸下并检查聚合物是否降解以及螺钉的磨损情况。还应检查所有加热器和热电偶的功能。

霜线不稳定的另一个常见原因是模具堵塞。模具吞吐量不均匀可能是由于模具中降解材料的堆积所致。为避免这种情况，应定期检查模具是否有材料堆积，并在必要时进行清洁。

气泡飘动：气泡飘动在霜冻线以下开始，并在气泡表面的横向（TD）上显示为线性标记。这种颤动是由来自空气环的高空气速度引起的。降低鼓风机速度或调节空气环组件以减少沿气泡表面的气流，将防止气泡飘动。但是，减少气流将随后降低空气环的冷却效率，这可能会导致霜冻线从模具中移走，从而导致新的问题。为避免这种情况，可以优化树脂选择以降低挤出物的总熔体粘度并降低总熔体温度。

2.规格变化：在吹塑薄膜共挤中，不可避免的是在薄膜中（通常在TD中）会有某种程度的规格变化。具有低规格变化程度的膜的规格轮廓的示例可以在图1a中看到。但是，如果在处理期间开始出现意外问题，则规格偏差的程度会增加。有一些不同的问题可能会导致仪表变化增加，并且可以通过检查气泡的仪表轮廓的形状来确定问题的原因。

模具未对准：规格偏差的常见来源是模具间隙未对准。模具未对准会导致离开模具的材料流动分布不均匀。模具未对准的常见指示器是偏移量规轮廓，如图1b所示。要纠正此问题，应检查模具间隙沿圆周的均匀性。如果未对齐，则可以使用模具调节螺栓来重新放置模具。

图1 经历以下情况的胶片样品的标尺图示例：A）最小标尺变化；B）偏移量规的变化。

不均匀的空气环冷却：空气环中不良的空气流或不均匀的空气流将导致薄膜冷却不均匀，这将影响薄膜的拉伸比。这可能会导致薄膜部分比其他部分被拉伸得更多，这可能会导致规格变化。为避免此问题，应定期检查和清洁空气环中的空气通道，以去除可能引起气流干扰的所有杂质。还应检查空气环，以确保其在模具上正确居中。

熔体温度不均匀：熔体温度不均匀会导致气泡冷却速率和模头产量变化。熔体温度不均匀的一个明显迹象是正弦规格曲线。这种正弦规格变化的形成与具有不均匀熔体温度的材料通过模具的流动有关，这种现象被称为端口线。如前所述，熔体温度的变化很可能是由于螺钉设计不当或磨损造成的。

3.界面不稳定性：术语界面不稳定性是指在两层之间的界面处发生的不稳定性。接口的稳定性将取决于诸如材料特性，工艺条件和设备设计特征之类的因素。在吹膜共挤出过程中可能会出现三种已知类型的界面不稳定性。

之字形界面不稳定性：当界面承受过大的剪切应力时，会出现这种形式的不稳定性，从而导致沿TD方向的膜表面形成“之字形”变形。这种不稳定性的图像如图2所示。

图2 经历高剪切并呈现锯齿形界面不稳定性的聚合物界面图像。

之字形不稳定性有一些已知的原因。首先是产生界面的材料之间的剪切粘度差异。如果材料具有明显不同的剪切粘度，则各个层在施加的剪切应力下将经历不同的剪切速率，从而导致出现锯齿形变形。可以通过选择具有类似剪切粘度的材料（如果可能）来创建界面来缓解这种情况。

第二个原因是层比率不合适。如果选择的层比率使得界面距离模具壁太近，则过大的剪切应力将触发变形。为了防止这种情况，可以增加外层的厚度，以使界面从壁上移开并减小施加到壁上的剪应力。

第三个原因是模具设计不当。设计模具时，适当优化流体通道以在整个模具中创建均匀的速度分布非常重要。模具设计不当可能导致形成高剪切点和不均匀的速度分布，从而导致这种不稳定性。

波界面不稳定性：这种形式的不稳定性是由于两种材料之间的界面处发生不均匀的伸长变形而导致的，当气泡从模具中挤出时，会沿着气泡表面形成波状图案。在图3中可以看到这种不稳定性的图像。已经发现导致这种不稳定性的伸长变形是从两个已知的来源发生的。第一个与层比率不合适有关。如果结构的组合层之一太薄，它将在模具中的合并点处经历更大的加速度，从而导致该层中较高的伸长变形率。应调整层的比率，以允许在合并点的下游形成更均匀的速度分布。

图3 显示波界面不稳定性的聚合物界面的图像。

第二个来源是构成界面的材料的伸长粘度的差异。两种具有不同伸长粘度的材料会经受相同的伸长力，它们会以不同的速率变形。如果可能，应选择具有类似伸长率特性的材料来创建界面。

反应性界面不稳定性：在共挤出由极性阻隔树脂和粘结层组成的多层结构时，可能会形成反应性界面。阻隔树脂通常与聚烯烃树脂层一起共挤出。这些结构通常在它们之间需要一个粘结层，以改善彼此之间的粘合性。粘结层是由极性和非极性端基组成的聚合物。有时，粘结层的极性端基与极性阻隔树脂之间可能发生不需要的化学反应，从而形成不稳定的界面。这些反应的结果是降低了光学清晰度，并使薄膜具有更粗糙的外观。

这种不稳定性的一个例子是EVOH与带有马来酸酐（MA）官能团的粘结层之间的界面。在连接层的MA和沿着EVOH链的羟基之间可能发生不必要的反应。这种不稳定性的视觉示例如图4所示，该图比较了在相同条件下共挤出的无粘结层（图4a）和MA粘结层（图4b）的PP / EVOH多层膜。由于在EVOH和MA粘结层之间的界面上发生了不希望的相互作用，因此添加了MA粘结层导致光学膜清晰度急剧下降。为了防止这种情况的发生，可以用由不同功能端基组成的连接层代替连接层。

图4  ：A）非反应性PP / PP / EVOH / PP / PP膜的光学透明度的比较；B）反应性PP / PP-MA / EVOH / PP-MA / PP膜。

4.凝胶：术语“凝胶”通常用于表示任何形式的小缺陷，这些小缺陷会在最终薄膜中产生光学畸变。凝胶是有问题的，因为它们不仅会产生光学畸变，而且还会降低薄膜的机械性能。凝胶可分为三大类：未融化的树脂，降解的材料和外来污染物。

未熔融的树脂：未熔融的树脂是一种常见的凝胶类型，通常在高挤出机生产能力下可以观察到。它们是由位于挤出机内的低剪切区引起的不均匀熔化的结果。要确定凝胶是否为未熔融的树脂，请将凝胶加热至高于其熔化温度，然后使其冷却下来。如果冷却后凝胶未再出现，则表明它是未融化的树脂。如果薄膜中存在未熔融的树脂，则应检查并重新设计挤出机螺杆，以最大程度地减少低剪切区的存在。

降解的材料：如果聚合物长时间暴露在高能量下，则在挤出过程中会发生材料降解。这些条件导致形成高度氧化或交联的材料，其在膜中以凝胶形式出现。通常，这些凝胶在启动后不立即存在。随着时间的推移，它们会出现在薄膜上，因为降解的聚合物会在过程中累积。

高度氧化的凝胶表现为易碎的黑色斑点，可以通过在紫外线下的荧光来识别。图5示出了在偏振光下获得的高度氧化的凝胶的图像，以及在UV光下获得的凝胶荧光的图像。交联凝胶具有深棕色外观，由氧化物质组成，但是氧化程度太低，无法在紫外线下引起荧光。

图5 在A）偏振光和B）UV光下多层膜中的高度氧化的凝胶的图像。

交联凝胶有时会误认为是高度缠结的树脂。为了区分两者，将凝胶加热到高于其熔化温度，在其上施加应力使其破裂，然后使其冷却。如果凝胶形状在冷却后重新出现，则表明该材料是交联的并且没有高度缠结。为了确定降解材料的来源，应在操作后不进行吹扫的情况下卸下挤出机螺杆。一旦确定了降解的根源，就可以在该区域优化螺杆设计，以最大程度地减少停滞和低剪切力。

外来污染物：有时，外来污染物可能会进入过程。外来污染物通常与主要原料一起通过料斗进入挤出机，其范围可以从衣物纤维到外来聚合物树脂。如果发现凝胶的熔融温度与原料树脂的熔融温度明显不同，或者其形状非常不规则（例如原纤维），则很可能是外来污染物。为避免这些凝胶，应始终正确清洁料斗，并应密封原始原料容器，以防止混入任何异物。

5.膜卷曲：膜卷曲是在多层结构中观察到的缺陷，该多层结构由具有不同结晶度的材料组成。该缺陷在熔融膜的冷却过程中形成，并导致膜自身卷起。膜卷曲与两个问题有关：材料性能的差异（即熔点，结晶度）和层排列不当。

膜卷曲的常见示例如图6所示，该图显示了由聚乙烯（PE），尼龙（PA）和粘结层组成的三层膜。当多层薄膜离开模具时，所有层都熔化，薄膜开始冷却。随着其冷却，尼龙层结晶并变得坚硬，而PE层仍在熔融状态而收缩。一旦温度降至PE的熔融温度以下，它也会开始变得坚硬。但是，此时尼龙已经结晶并且不能进一步收缩，从而导致PE在固化过程中从其卷曲。

图6 由PE，PA和粘结层组成的三层吹膜共挤生产线的膜卷曲实例。

防止膜卷曲的一种方法是迅速冷却膜以防止结晶。与使用空气冷却薄膜相反，可以将薄膜直接挤出到水浴中以进行快速冷却。这允许具有不同结晶速率的材料被共挤出而膜没有任何卷曲。另一种可能的解决方案是优化多层膜的结构。

例如，将可能卷曲的PE / tie / PA膜的结构修改为PE / tie / PA / tie / PE / tie / PA。新膜中的附加层增加了膜的整体质量，这将减轻膜所经历的卷曲程度。