吹膜技术
实验6 塑料簿膜吹塑实验
一、实验目的
1．了解塑料挤出吹胀成型原理；
2．了解单螺杆挤出机、吹膜机头及辅机的结构和工作原理；
3．掌握聚乙烯吹膜工艺操作过程、各工艺参数的调节及分析薄膜成型的影响因素。
二、实验原理
塑料薄膜是应用广泛的高分子材料制品。塑料薄膜可以用挤出吹塑、压延、流延、挤出拉幅以及使用狭缝机头直接挤出等方法制造，各种方法的特点不同，适应性也不一样。其中吹塑法成型塑料薄膜比较经济和简便，结晶型和非晶型塑料都适用，吹塑成型不但能成型簿至几丝的包装薄膜，也能成型厚达0.3mm的重包装薄膜，既能生产窄幅，也能得到宽度达近20m的薄膜，这是其它成型方法无法比拟的。吹塑过程塑料受到纵横方向的拉伸取向作用，制品质量较高，因此，吹塑成型在薄膜生产上应用十分广泛。
用于薄膜吹塑成型的塑料有聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙以及聚乙烯醇等。目前国内外以前两种居多，但后几种塑料薄膜的强度或透明度较好，已有很大发展。
吹塑是在挤出工艺的基础上发展起来的一种热塑性塑料的成型方法。吹塑的实质就是在挤出的型坯内通过压缩空气吹胀后成型的，它包括吹塑薄膜和中空吹塑成型。在吹塑薄膜成型中，根据牵引的方向不同，通常分为平挤上吹、平挤下吹和平挤平吹三种工艺方法，其基本原理都是相同的，其中以平挤上吹法应用最广。本实验是用平挤上吹工艺成型低密度聚乙烯（LDPE）薄膜，如图6－1。
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。在挤出机的前端安装吹塑口模，粘流态的塑料从挤出机口模挤出成管坯后用机头底部通入的压缩空气使之均匀而自由地吹胀成直径较大的管膜，膨胀的管膜在向上被牵引的过程中，被纵向拉伸并逐步被冷却，并由人字板夹平和牵引辊牵引，最后经卷绕辊卷绕成双折膜卷。
图6－1 吹塑薄膜工艺示意图
1－挤出料筒 2－过滤网 3－多孔板 4－风环 5－芯模 6－冷凝线 7－导辊 8－橡胶夹辊 9－夹送辊 10－不锈钢夹辊（被动） 11－处理棒 12－导辊
13－均衡张紧辊 14－收卷辊 15－模环 16－模头 17－空气入口
18－加热器 19－树脂 20－膜管
在吹塑过程中，塑料从挤出机的机头口模挤出以致吹胀成膜，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挤出过程的各段物料的温度、螺杆的转速是否稳定，机头的压力和口模的结构、风环冷却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．管坯挤出
挤出机各段温度的控制是管坯挤出最重要的因素。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。本实验对LDPE 吹塑，原则上机筒温度依次是140℃，160℃，180℃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，通常挤出温度和速度控制得稍低一些。
2．机头和口模
吹塑薄膜的主要设备为单螺杆挤出机，由于是平挤上吹，其机头口模是转向式的直角型，作用是向上挤出管状坯料。由于直角型机头有料流转向的问题，模具设计时须考虑设法不使近于挤出机一侧的料流速度大于另一侧，使薄膜厚度波动减少。为使薄膜的厚度波动在卷取薄膜辊上得到均匀分布，现常采用直角型旋转机头。口模缝隙的宽度和平直部分的长度与薄膜的厚度有一定的关系，如吹塑0.03～0.05mm 厚的薄膜所用的模隙宽度为0.4～0.8mm ，平直部分长度为7～14mm 。
3．吹胀与牵引
在机头处通入压缩空气使管坯吹胀成膜管，调节压缩空气的通入量可以控制膜管的膨胀程度。衡量管坯被吹胀的程度通常以吹胀比α来表示，吹胀比是管坯吹胀后的膜管的直径D 2与挤出机环形口模直径D 1的比值，即：
1
2D D =α （6－1） 吹胀比的大小表示挤出管坯直径的变化，也表明了粘流态下大分子受到横向拉伸作用力的大小。常用吹胀比在2～6之间。
吹塑是一个连续成型过程，吹胀并冷却过程的膜管在上升卷绕途中，受到拉伸作用的程度通常以牵伸比β来表示，牵伸比是膜管通过夹辊时的速度v 2与口模挤出管坯的速度v 1之比，即：
1
2v v =β （6－2） 这样，由于吹塑和牵伸的同时作用，使挤出的管坯在纵横两个方向都发生取向，使吹塑薄膜具有一定的机械强度。因此，为了得到纵横向强度均等的薄膜，其吹胀比和牵伸比最好是相等的。不过在实际生产中往往都是用同一环形间隙口模，靠调节不同的牵引速度来控制薄膜的厚度，故吹塑薄膜纵横向机械强度并不相同，一般都是纵向强度大于横向强度。
吹塑薄膜的厚度δ与吹胀比和牵伸比的关系可用下式表示： β
αδ?b ＝
（6－3） 式中 δ－薄膜厚度，mm ；
b ―机头口模环形缝隙宽度，mm 。
4．风环冷却
风环是对挤出膜管的冷却装置，位于离模膜管的四周，操作时可调节风量的大小控制膜管的冷却速度。在吹塑聚乙烯薄膜时，接近机头处的膜管是透明的，但在约高于机头20cm 处的膜管就显得较浑浊。膜管在机头上方开始变得浑浊的距离称为冷凝线距离（或称冷却线距离）。膜管浑浊的原因所大分子的结晶和取向。从口模间隙中挤出的熔体在塑化状态被吹胀并被拉伸到最终的尺寸，薄膜到达冷凝线时停止变形过程，熔体从塑化态转变为故态。如果其它操作条件相同，随着挤出物料的温度升高或冷却速率降低，聚合物冷却至结晶温度的时间也将延长，所以冷却线也将上升。这样，薄膜从机头挤出后到冷却卷取的行程就要加长；在相同的条件下，冷却线的距离也随挤出速度的加快而加长，冷却线距离高低影响薄膜的质量和产量。实际生产中，可用冷却线距离的高低来判断冷却条件是否适当。用一个风环冷却达不到要求时，可用两个或两个以上的风环冷却。对于结晶型塑料，降低冷却线距离可获得透明度高和横向撕裂强度较高的薄膜。
5．薄膜的卷绕
管坯经吹胀成管膜后被空气冷却，先经人字导向板夹平，再通过牵引夹辊，而后由卷绕辊卷绕成薄膜制品。人字板的作用是稳定已冷却的膜管，不让它晃动，并将它压平。牵引夹辊是由一个橡胶和一个金属辊组成，其作用是牵引和拉伸薄膜。牵引辊到口模的距离对成型过程和管膜性能有一定影响，其决定了膜管在压叠成双折前的冷却时间，这一时间与塑料的热性能有关。
三、仪器设备与原料
1．仪器设备
（1）SJ －20单螺杆挤出机。
（2）直通式吹膜机头口模（见图6－2）。
（3）冷却风环。
（4）牵引、卷取装置。
（5）空气压缩机。
（6）卡尺、测厚仪、台秤、秒表等。
图6－2 吹塑薄膜用直通式机头
1－芯棒轴2－口模3－调节螺钉4－压缩空气入口5－机颈
2．原料
LDPE，吹膜级，颗粒状塑料。
四、准备工作
1．原材料准备；LDPE干燥预热，在70℃左右烘箱预热1～2h。
2．详细观察、了解挤出机和吹塑辅机的结构，工作原理，操作规程等。
3．根据实验原料LDPE的特性，初步拟定挤出机各段加热温度及螺杆转速，同时拟定其他操作工艺条件。
4．安装模具及吹塑辅机。
5．测量口模内径和管芯外径。
五、实验步骤
1．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。
2．当挤出机加热到设定值后稳定30min 。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，使沿管坯圆周上的挤出速度相同，尽量使管坯厚度均匀。
3．开动辅机，以手将挤出管坯慢慢向上引入夹辊，使之沿导辊和收卷辊前进。通入压缩空气并观察泡管的外观质量。根据实际情况调整挤出流量、风环位置和风量、牵引速度、膜管内的压缩空气量等各种影响因素。
4．观察泡管形状变化，冷凝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，不再通人压缩空气，薄膜的卷绕正常进行。
5．以手工卷绕代替收卷辊工作，卷绕速度尽量不影响吹塑过程的顺利进行。裁剪手工卷绕1min 的薄膜成品。
6．重复手工卷绕实验两次。
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．称量卷绕1min 薄膜成品的重量并测量其长度、折径及厚度公差。计算挤出速度v 1、膜管的直径D 2、吹胀比α、牵伸比β、薄膜厚度δ、吹膜产量Q m 。
六、数据处理
1．由1min 薄膜成品的重量Q 计算挤出速度v 1：
)
(100042211D D Q v ?××=πρ （6－4） 式中 v 1－管坯挤出线速度，mm/min ；
Q －1min 薄膜成品的重量，g/min ；
ρ－LDPE 熔体密度，g/cm 3，取0.91；
D 1－口模内径，mm ；
D －管芯外径，mm 。
2．由薄膜成品折径d 计算膜管的直径D 2，按式（6－1）计算吹胀比α。
3．由1min 薄膜成品的长度，即牵引速度v 2和由式（6－4）计算的v 1，按式
（6－2）计算牵伸比β。
4．由口模内径D1和管芯外径D计算口模环形缝隙宽度b，按式（6－3）计算薄膜厚度δ。
5．由1min薄膜成品的重量Q换算吹膜产量Q m（kg/h）。
七、注意事项
1．熔体挤出时，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人挤出机筒内。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．吹胀管坯的压缩空气压力要适当，既不能使管坯破裂，又能保证膜管的对称稳定。
4．吹塑过程中要密切注意各项工艺条件的稳定，不应该有所波动。