如何提高吹塑薄膜的收卷质量

1　前言
　　近年来，随着塑料薄膜制品应用领域的不断拓展，出现了各种新型的包装薄膜〔1〕，诸如：拉伸绕缠膜、自粘膜、热收缩膜、超薄膜以及阻隔膜、防腐蚀膜、多层复合膜等等，它们的出现，使得包装领域实现了高效、快捷、方便、美观和经济实用等各方面的综合价值。打破了以往包装业以玻璃纤维、纸及木材等为主要包装原料的传统格局。使得包装业得到了空前的发展，进而推动了经济的飞速发展。吹塑薄膜最主要的用途就是作为包装材料，而拉伸膜则成为众多包装薄膜中的佼佼者。据96’欧洲塑料薄膜大会报告〔2〕，预计在10年内拉伸膜将成为塑料薄膜中最大的品种。
　　北京化工大学塑料机械与塑料工程研究所受中国石油化工总公司的委托，于1996年下半年开始研制开发共挤复合管膜法(吹塑法)LLDPE拉伸缠绕膜(在此之前这项技术在我国还一直处于待开发领域，此研究填补了我国的一项空白)。目前，该装置已经研制开发出来，正处于试车验收阶段。在试车过程中，我们发现在薄膜的收卷过程中，常常在满足工艺条件的情况下，出现收卷不好的现象，如：收卷不紧、端面不齐、产生纵、横向皱纹等，严重影响了制品的最终使用价值。因此，如何提高薄膜的收卷质量，就成为能否使新型薄膜的应用得到更好推广的关键。

2　影响吹塑薄膜收卷质量的因素

　　卷取装置是吹塑薄膜辅机中比较重要的部分〔3〕，其作用是将薄膜卷取成卷，并且使成卷的薄膜平整无皱纹、卷边整齐、卷轴上薄膜应松紧适中，以防止薄膜拉伸变形。故而要想得到高质量、高性能的薄膜制品，首先必须控制收卷前薄膜的性能，包括薄膜厚度的均匀性、薄膜膜泡的稳定性、温度的均匀性等成型区的工艺条件；其次是通过对收卷系统的张力、转矩以及牵引速度等控制来实现薄膜平整光滑地收卷。只有将二者统一起来，才能得到最终满足要求的制品。
　　吹塑薄膜在收卷过程中，卷取膜卷常常会产生以下几方面的不良现象〔4、6〕：
　　(1)卷取松紧度不稳定，忽松忽紧，卷取过程中产生横向、纵向皱纹，影响了薄膜收卷的表面平整度。
　　(2)卷取制品在长期贮存或运输中膜层之间发生粘连现象；影响了薄膜的最终 使用价值。
　　(3)卷取表面凸凹不平、膜卷端面不平整、参差不齐，卷取制品在卷取过程中产生永久性拉伸变形，影响了产品的最终使用性能。
　　产生这些不良现象的主要因素为：
　　(1)工艺控制方面
　　①薄膜的厚度不均匀；
　　②膜泡冷却不充分；
　　③工艺配方的不合理(如润滑剂用量不够)。
　　(2)设备结构或控制方面
　　①牵引辊变形或受力不均；
　　②夹紧辊水平度没有达到要求；
　　③展平辊没有发挥正常功效(展平辊的结构形式与薄膜的尺寸规格不相适应)；
　　④卷取过程中卷入大量的空气(没有使用压紧辊或压紧辊的压紧力P过小)；
　　⑤卷取张力不恒定(过大易产生纵向皱纹，而过小易产生横向皱纹)；
　　⑥卷取辊内保持张力Tr过大；
　　⑦卷芯表面的光洁度没有达到要求；
　　⑧卷取张力的控制不稳定；
　　⑨压紧辊的压力控制不恒定；
　　⑩压紧辊的压紧力P过大。

3　提高薄膜收卷质量的措施

　　从以上分析可以看到，影响薄膜卷取质量的因素主要是工艺控制及设备控制两方面，因此，要想提高薄膜的收卷质量，也必须从这两方面入手。
3.1　工艺控制方面
　　吹塑薄膜成型的工艺控制主要指在成型区的控制〔5〕，而在工艺上影响薄膜收卷质量的最主要因素是膜厚的均匀性，因此，如何提高薄膜的厚度均匀性，是提高薄膜收卷质量的前提条件。也是我们在工艺控制方面需要解决的主要问题。下面是影响膜泡厚度均匀性的几个主要方面：
3.1.1　膜泡内外空气压力差B
　　膜泡内外压差B是描述膜泡薄膜两边压力差ΔP的无量纲参数，其表达式为：

B＝π.ΔP.R30.ρ0／（η0）

（1）

　　式中：η0为熔体的表观粘度mm2/s；为薄膜的产量kg/h;ρ0为熔体在温度T0下的密度kg/mm3；R0为机头口模半径mm。

ΔP＝τ／R

（2）

τ为膜泡的表面张力kg/mm;R为膜泡的半径mm。
　　在稳定吹塑状态下，根据质量守恒定律，则有：

＝2π.R0.h0.ρ0.V0

（3）

式中：h0为机头口模间隙mm;V0为机头出口处熔体平均流动速度mm/s。
　　当管膜离开机头口模时，膜泡沿纵向拉伸速度为V1，此时：

＝2π.R.h.ρ.V1

（4）

式中：R、h、ρ分别为膜泡任一位置处的半径、厚度、密度。图1表示了膜泡内外压差B对膜泡厚度均匀性分布的影响。膜厚度对B的变化较为敏感，在其它加工条件不变的情况下，当B值较小时，由式(1)和式(2)可知此时膜泡的半径增大，根据运动质量守恒定律(4)，膜泡厚度h减小。

图1　膜泡内外压差B对厚度的影响
Z为冷凝线高度，单位mm(以下2、3、4、5图同)
B1=0.25　B2=0.20　B3=0.16

图2　牵引张力Fz对厚度的影响
h为薄膜厚度，单位mm
（以下3、4、5图同）
TZ1=0.1819　TZ2=0.1829　TZ3=0.1894

3.1.2　膜泡的牵引张力
　　无量纲牵引张力系数z

Tz＝R0.ρ0.Fz／（η0.）（5）
Fz＝2π.R.h.σz（6）

式中：Fz为冷却线处薄膜的牵引张力，单位kg;σz为冷却线处轴向薄膜应力，单位kg/mm2；R、h分别为冷却线处薄膜的半径和厚度；其它参数同上。
　　图2表示无量纲牵引张力系数对膜泡厚度均匀性分布的影响。无量纲牵引张力系数z值变小时，由式(5)和式(6)可知：此时膜泡的轴向拉伸应力减小，即纵向拉伸强度小。而牵引张力和牵引速度之间是彼此递增的关系，根据运动质量守恒定律(4)，此时能够确定薄膜的厚度将增大。
3.1.3　牵引比DDR

DDR＝V1／V0（7）

式中：V1为牵引辊处的牵引速度，mm/s。
　　图3表示了牵引比DDR对膜泡厚度分布的影响。牵引比DDR大时，膜厚的收缩比较大，因此，实际生产中控制恒定的牵引比，对于控制薄膜的厚度均匀性非常重要。

图3　牵引比对膜泡厚度的影响
(V1/V0)1=7.342
(V1/V0)2=7.246
(V1/V0)3=7.184

　　图4表示了挤出产量M对膜泡厚度分布的影响。当增加挤出产量M时，(通过提高螺杆转速n来实现)，在其它条件不变的情况下，膜泡的厚度随之增加。

图4　挤出产量对厚度的影响
M1=0.1g/s　M2=0.2g/s

图5　冷却速率对厚度的影响
FH1=90mm　FH2=120mm

3.1.5　冷却速率
　　图5表示了冷却过程对膜泡厚度分布的影响。在挤出产量不变的情况下，增加冷却效率导致冷却线降低，膜泡的外形增大，所以薄膜的厚度必然减小；减小冷却效率导致冷却线升高，膜泡的半径减小，薄膜的厚度必定增加。
3.2　设备控制方面
3.2.1中心卷取装置
　　所谓中心卷取装置就是其传动系统直接驱动卷取辊进行薄膜卷取的装置，这种装置可以卷取厚度不同的薄膜〔3〕。如图6所示是驱动卷取中心轴在空间的卷取形式，卷取后膜在卷辊上的保持张力Tr与卷取前的张力T，通常情况下是相等的〔7〕(在可能测定的情况下)。即：

保持张力Tr=卷取张力T

(8)

图6　中心驱动卷取

　　在通常情况下，在卷取辊的周围分布着空气分子，因此在卷入接触点处夹入了空气，由于卷芯和空气间的摩擦阻抗，不能使空气完全排出，于是就要带入一些空气进入卷层间。这样随着卷径的增大，径向方向上夹紧力增加，空气通过层间从侧面被挤出，该卷层的膜也随着空气的不规则移动产生横向移动，其结果就产生了整个膜卷侧面的不规则的偏移，导致端面的不整齐。另外，当被卷入的空气缓缓地被挤压出来时，其卷层间由于所含空气的体积减少，卷层一周的长度也要减少，结果会导致卷取后的保持张力减小，从而影响卷取的松紧度。此时，保持张力Tr＜卷取张力T 。只有在空气的卷入量非常少时，公式(8)才能成立。
　　因此，薄膜在卷取过程中，必须防止大量的空气在收卷时卷入膜卷，为此要严格控制张力的大小及其稳定性，严防忽紧忽松或边紧中松。如果空气大量卷入，除产生上述不良现象外，还不利于薄膜的贮存，同时直接影响了产品的外观和薄膜的利用率。作为防止空气卷入的有效方法，如图7所示，在中心驱动卷取辊的卷入点位置，设置压紧辊，这种方法也叫中心驱动接触卷取。

图7　中心驱动接触卷取

　　在没有压辊的情况如图6所示，卷入点是膜卷入的直线和辊的接触点，这样，卷入方向和中心线的夹角成直角关系，这样卷取张力T无论多大，其直角方向的分量都是零，因此，根本无法排出卷入的空气，而有压辊的情况则不同，其压紧力P无论多么小，其力的方向都和中心线方向是一致的，因此就能有效地阻碍空气的卷入。
　　压紧辊能够使卷层卷得比较紧，换句话说，它能够使辊上膜的保持张力增加，也就是相应于压紧力P所对应的张力能够使保持张力得到提高。在Good、Fikesr论文〔9〕中把这种增加的张力称为诱导张力(NIT)，在中心卷取有压紧辊的情况下，认为卷取张力T加上NIT是卷取后的保持张力Tr。其具体值如下：

（NIT）＝μN／h（9）

式中：(NIT)为诱导张力应力；μ为膜与膜之间摩擦因数；N为压紧的线压(单位幅宽的夹紧力)；h为膜的厚度。
　　另外，式（9）是用线压表示的，若把压紧力用P表示，膜幅宽用W、附加诱导张力NIT用Tn表示，则通过公式推导有：

Tn＝NIT＝（NIT）×Wh
＝（μN／h）＝μP

（10）

　　因此，增加浮动压紧辊后的中心驱取装置，卷取后在辊上膜的保持张力为：

Tr＝T＋μP

（11）

　　在这种情况，T和以前的T一样是卷取前的张力，因此通过过压紧力，能够排除卷取过程中卷入的空气，使卷取紧密度增加并使卷辊上膜的保持张力增加。
3.2.2　表面卷取装置
　　图8所示为传统的表面卷取装置〔3〕，由于是依靠主动辊和膜卷两者之间的摩擦力来驱动卷取的，因此这种卷取又叫摩擦卷取，主动辊往往放置在卷取辊的正下方或偏移一个角度的斜下方，使它实际承受着卷取辊及其上面的膜卷的一部分质量。而摩擦力与这有关，所以卷取张力也就取决于卷取辊及其上面的膜卷的质量，其大小是随着卷取辊所卷取薄膜的增多而增大的。当薄膜厚度不均匀时就会导致卷取辊与主动辊之间的各接触点的压力发生变化，而使得整个卷取辊宽度上张力分布不均，这样就直接影响了膜卷的质量。

图8　表面卷取工作原理图

　　图9是表面卷取的两种形式〔7〕，A中有两个驱动辊，有实线和虚线两个位置的卷入方法，一般是采用实线位置的方式。当实线位置时，其膜内保持张力Tr为：

Tr＝T＋μP＝Tf＋μ0secQ

式中：Tf为驱动辊与膜之间摩擦力产生的卷取前张力，其大小正比于G、μ0；G为膜卷自重，随卷取增大而增大；μ0为驱动辊与薄膜之间的摩擦因数；Q为膜卷中心与主动辊垂直压力的夹角，随卷取增大而减小。
　　当采用虚线位置卷取时，其膜内保持张力Tr为：

Tr＝T＋2μP＝Tf＋μ0GsecQ

　　上两公式中各项的含义同（8）式。
　　B图卷取辊和驱动辊是水平接触，其接触位置的压力P不是膜卷自重产生的，而是水平施加的。因此当要求卷取的松紧度比较松时，一般采用该种方式。而在A图中，随着卷径的增大，其卷辊质量增加，压紧力P和保持张力Tr也随着增大，这样膜就会卷得越来越紧。缠得过紧时，对于有粘性要求的膜就容易产生粘连。薄膜较薄时，易产生横向皱纹等，这种情况一般采用中心卷取方式。

(A)支撑式表面卷取　　(B)平行式表面卷取
图9　表面卷取工作原理图

3.2.3　表面中心复合驱动卷取
　　为弥补中心驱动卷取和表面驱动卷取的不足之处〔8〕，采用了使两者卷取复合的形式，即表面中心复合驱动卷取。
　　图10为表面中心并用驱动卷取形式的示意图，这种方式的特点是综合了中心驱动和表面驱动的优点，在只有表面驱动的情况下，当和接触辊之间的接触压力非常小时，膜就不能成卷；但并用了中心驱动，接触压力即使不大，也能实现表面驱动的特性。并且通过两个驱动力，使膜的前张力能够得到累加，连同对应于接触压P产生的那部分诱导张力NIT，共同使膜的保持张力得到了提高。〔7〕。

图10　表面中心复合驱动式卷取

　　表面驱动的扭矩M3，除以表面驱动辊的半径得到张力T3，中心驱动的扭矩M2除以卷辊的半径得到张力T2,这样，卷取前的前张力T=T2＋T3；卷取后卷层内的保持张力为：

Tr＝T＋μP＝T2＋T3＋μP（12）

　　因此，在卷取不同的膜类制品时，即使在接触压力P较小时，通过控制上述两者的扭矩，也能够得到不同的保持张力，特别是卷取比较滑的塑料薄膜时，如果只是表面驱松收卷，因为是依靠最外层膜和表面辊的摩擦来驱动，因此，如果接触压力小，则会卷得很松，若接触压力太大，则卷辊内部就会产生皱折，而且卷得过紧的话，也会影响最终的卷取质量。但如果使用这种复合卷取方式的话，即使是非常小的接触压力，在大的中心驱动力下，也能够得到卷径大而且收卷效果好的最终薄膜制品。

4　结束语

　　通过以上分析我们可以看到，在保证薄膜厚度均匀性的条件下，影响薄膜收卷质量的最关键因素是膜卷的保持张力，为了得到稳定的卷取前张力(卷取张力)，我们在收卷前增加了二次牵引辊，以实现其稳定性。另外，在卷取辊上增加了压紧辊，通过控制压紧辊的压紧力来控制膜卷上的保持张力，进而达到提高收卷质量的目的。