汕頭市達(dá)誠環(huán)保精機科技有限公司
萬松洲 楊偉光
摘要:本文介紹了高阻隔硬質(zhì)包裝EVOH樹脂的性能特點和應(yīng)用情況。重點介紹了EVOH復(fù)合材料的加工工藝和加工設(shè)備,以及EVOH多層共擠片材設(shè)備智能化改進內(nèi)容及未來的發(fā)展方向。
關(guān)鍵詞:EVOH;高阻隔;復(fù)合材料;加工裝備;智能制造。
引言
塑料包裝片材常用于生產(chǎn)一次性塑料杯、盤、碗、碟、盒等熱成型制品,廣泛應(yīng)用于食品、疏菜、水果、飲料、乳品、工業(yè)零件等領(lǐng)域的包裝。它具有柔軟性、透明性好, 易制成各種形狀的流行款式,它與玻璃相比不易破碎,重量輕,運輸方便等優(yōu)點,但包裝行業(yè)通常要求塑料包裝片材兼?zhèn)錂C械強度、耐熱性、耐寒性、對氣體和水蒸氣的阻隔性、光澤透明性、熱封性、印刷性及無毒性等性能。單層塑料片材顯然不能滿足所有這些性能,如對氧敏感商品包裝阻隔性不及金屬和玻璃容器,因此,需要生產(chǎn)多層復(fù)合片材,不同塑料原料的各種性能體現(xiàn)在制品上,集中體現(xiàn)多種樹脂的優(yōu)點,使制品的性能進一步滿足各種包裝物使用要求。
01 EVOH包裝應(yīng)用市場狀況
在冷鏈?zhǔn)称钒b領(lǐng)域,以往人們選用金屬或玻璃材料作為食品包裝,從而有效隔離內(nèi)外各種氣體成分的滲透,以保證內(nèi)容物的質(zhì)量和商品價值。因為引起食品變質(zhì)有以下三大因素:生物因素(生物酶反應(yīng)等)、化學(xué)因素(主要是食品成分的氧化)及物理因素(吸濕、干燥等)。這些因素是在氧氣、光線、溫度、水分等環(huán)境條件下發(fā)揮作用,從而引起食品變質(zhì)。防止食品的變質(zhì),主要是抑制食品中的微生物增殖,防止氧氣對食品成分的氧化,以及阻濕和保持食品的原有風(fēng)味。[1]
乙烯-乙烯醇共聚物簡稱EVOH,與聚偏二氯乙烯(PVDC)和聚酰胺(PA)并稱為世界三大阻隔樹脂[2]。EVOH能極大地抑制空氣中氧氣侵入食品,從而抑制因微生物增殖產(chǎn)生毒素等有害物質(zhì),還能防止氧化引起成分改變,同時保香并防止外界異味污染。而且,通過其他聚烯烴層可以彌補其阻濕性的不足。所以,EVOH多層包裝材料能有效地防止食品變質(zhì)從而延長保質(zhì)期。另外,它容易加工成型,環(huán)保性能好。由于EVOH樹脂優(yōu)良的阻氣性、透明性、加工性、耐溶劑性,其應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣,需求量也迅速增長,前途廣大,越來越受到產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。
02 高阻隔EVOH樹脂
1)材料性能
EVOH的阻隔性能高分子材料的阻隔性是指制品對小分子氣體、液體、水蒸氣等的屏蔽能力。目前常用的具有良好阻隔性能的樹脂品種主要包括:EVOH、PVDC、PAN、PEN、PA和PET。表一為各種材料的氧氣透過率[1]
如圖1所示,EVOH的氧氣阻隔性隨著相對濕度而變化。在相對濕度低于約80%以下時,明顯高于其它材料,而在在高濕度如85%以上,EVOH的阻氧性顯著下降。但是,實際上阻隔性包裝材料幾乎都是多層結(jié)構(gòu),具有良好阻濕性能的聚烯烴(PE或PP)用于兩側(cè)。即使包裝接近水性食品,外圍環(huán)境為空氣時,處于中間層的EVOH的相對濕度也在80% 左右。在這一條件下EVOH 的阻隔性仍然比其它任何材料好。因此,EVOH不僅對于干食品包裝應(yīng)用廣泛,而且對于牛奶、果汁飲料、調(diào)味品、啤酒、葡萄酒、礦泉水等水性食品也得到廣泛應(yīng)用。另外,除氧氣外,對二氧化碳?xì)狻⒌獨?、氦氣、氨氣等其他氣體,EVOH也具有卓越的阻隔性能。[1]
2)硬包裝EVOH復(fù)合的應(yīng)用情況
EVOH用作高阻隔材料時通常采取多層復(fù)合結(jié)構(gòu),常用復(fù)合材料有:PP、HIPS、PE、EVOH、AD,結(jié)構(gòu)中AD為粘合劑。多層復(fù)合結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮各材料的性能,提高EVOH的阻水性,獲得綜合性能優(yōu)異的高阻隔材料。以前大部分是應(yīng)用于軟包裝,但復(fù)合樹脂PP、PE、PA等由于韌性好、剛性較差,不易沖切,限制了其在硬包裝領(lǐng)域的應(yīng)用。PP及耐沖擊性聚苯乙烯HIPS具有較好的剛性,成型性能優(yōu)越,宜沖切,適宜應(yīng)用于硬質(zhì)包裝材料。因而大力發(fā)展適用于硬包裝EVOH高阻隔復(fù)合材料尤為迫切。
03 硬包裝EVOH加工裝備與加工工藝
1、加工設(shè)備
高阻隔多層共擠復(fù)合材料具有多層結(jié)構(gòu),因此需專用的多層共擠擠出設(shè)備成型,根據(jù)各層的材料特性選擇合適的擠出類型。如汕頭市達(dá)誠環(huán)保精機科技有限公司近期設(shè)計制造EVOH多層共擠片材擠出設(shè)備,采用5條單螺桿擠出機組合,具體型號為WJPG120/105/75/65/65-1200,配套計量泵,最大擠出產(chǎn)量800-1000KG/H,寬度800MM,其中:120螺桿適應(yīng)于主料二次PP料,105螺桿適應(yīng)于新料PP料,75螺桿用于包邊料PP料,兩條65螺桿適應(yīng)于EVOH及AD料。模頭出來后片材配套有壓片定型機、輥筒恒溫裝置、在線測厚儀、自然冷卻裝置、切邊裝置、雙面硅油涂布機、牽引裝置、廢邊收卷裝置、雙工位卷取機、PLC工業(yè)控制柜等。
設(shè)備通?;玖鞒坦に囀疽鈭D如下:
◆原料系統(tǒng):原料配方比例及輸送,破碎料回收裝置;
◆擠出系統(tǒng):各擠出機、過濾、計量、共擠分配至模頭出片;
◆三輥壓光系統(tǒng):片材壓光及切邊裝置;
◆在線測厚儀,片材厚度在線顯示
◆牽引系統(tǒng):動力牽引裝置;
◆收卷系統(tǒng):片材成卷收卷;
◆水循環(huán)系統(tǒng):輥筒水溫控制;
◆電氣控制系統(tǒng):整套設(shè)備電氣控制。
WJPG120/105/75/65/65-1200型EVOH高阻隔片材機
此設(shè)備生產(chǎn)的EVOH高阻隔片材,經(jīng)國家包裝產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(廣州)檢驗檢測,GB/T31354-2014《包裝件和容器氧氣透過性測試方法 庫侖計檢測法》,試驗條件: T=(23±0.5)℃, RH=(50±2)%,空氣環(huán)境,氧氣濃度:21%,氧氣透過性:5.5×10-4立方厘米/包 24小時。
2、加工工藝
設(shè)備主要工藝路線:主料層物料通過120和105螺桿PP主擠出機,65螺桿(AD原料)加熱熔融擠出,經(jīng)過液壓快速換網(wǎng)器,抵達(dá)分配器兩邊,65螺桿擠出EVOH原料直接進入分配器中間,75螺桿PP物料通過擠出機加熱熔融擠出,經(jīng)換網(wǎng)器直接進入模具會合,生產(chǎn)兩邊包邊片材,各種加熱熔融原料平穩(wěn)進入共擠機頭會合成片,在五輥壓片機定型冷卻,再經(jīng)冷卻后通過自動測厚儀測量厚薄均勻度調(diào)節(jié),切邊,片材經(jīng)牽引輥送入卷繞裝置,成卷包裝為成品,而切邊廢邊PP料直接進入粉碎機后回到擠出主機料斗再生產(chǎn),也可以把邊料由廢邊收卷裝置收繞成捆。
3、關(guān)鍵技術(shù)點
由于EVOH樹脂與PP樹脂相容性差,而且樹脂流變速率相差較大,基材與EVOH的粘接強度、二次成型時對EVOH的拉伸性能的要求、壓延生產(chǎn)復(fù)合片材時EVOH層分布的均勻性等都是影響復(fù)合材料性能和使用的關(guān)鍵問題,也是生產(chǎn)該類型復(fù)合材料時需要解決的難題。
多層共擠技術(shù)關(guān)鍵是粘合劑(AD),EVOH的復(fù)合包裝材料通常有PP\EVOH,但PP與EVOH不能直接熱粘合,必須PP與EVOH之間加粘合劑(AD),其粘合劑選擇時需考慮PP作為基體材料的粘合劑,其次跟PP與EVOH熔體粘度的匹配,第三拉伸性能要求, 以免在二次加工時引起脫層。所以其共擠片材多為五層共擠片材(PP\AD\EVOH\AD\PP),若邊切回料R加入層中間,就變成七層共擠片材機, PP/R/AD/EVOH/AD/R/PP,其中最外層為PP新料,另緊靠兩層是PP的破碎回收料R(PP)。也可采用非對稱結(jié)構(gòu),增加其它材料(PE/HIPS等)擠出機,進行共擠,其原理相同,達(dá)到同樣多層共擠方式。
多層阻隔包裝結(jié)構(gòu)示意圖[4]
用于硬包裝,PP也有改用耐沖擊性聚苯乙烯(HIPS)作為復(fù)合層。如下圖結(jié)構(gòu)[3]:
EVOH多層共擠復(fù)合材料加工工藝圖2
圖2為EVOH多層共擠復(fù)合材料加工工藝圖,如圖所示,復(fù)合材料由里到外分為5層結(jié)構(gòu)。中間層③為EVOH層,單獨使用一臺擠出機無需分層直接進入分層器中間層擠出;EVOH層兩邊為粘結(jié)劑AD層②和④,單獨使用一臺擠出機通過分層器分為兩層復(fù)合于EVOH兩面;復(fù)合材料兩外表面為PS層①和⑤,同樣單獨使用一臺擠出機,通過分層器分為兩層復(fù)合在材料的上下兩表層。利用復(fù)合結(jié)構(gòu),提高EVOH的阻水性能和阻隔性能。粘接層提高PS層與EVOH層的粘接強度。
多層共擠技術(shù)關(guān)鍵部件是分配器,從A\B\C三臺擠出機擠出的PP、AD、EVOH的熱融料通過一臺分配器,形成PP/AD/EVOH/AD/PP結(jié)構(gòu)層,分配器關(guān)鍵是流道設(shè)計, 使PP層均勻地分為一、五層, AD層分為二、四層, EVOH層為中間層。分配器流道設(shè)計有調(diào)節(jié)葉片, 用來調(diào)節(jié)兩層之間的厚度均勻度,各層的厚度比例由各自的擠出量來控制,由于擠出機的擠出量波動較大, 在擠出機后用熔體齒輪泵來定量控制。處于模頭設(shè)定溫度下的PP、AD、EVOH的熔體粘度不同,這會使片材各層斷面的厚度分布不均勻, 可以通過在分配器中采用局部開槽的方法, 增加某處的料流量來矯正,調(diào)節(jié)料層中間處的厚薄。
要獲得性能優(yōu)異的高阻隔多層共擠復(fù)合材料,加工過程中有如下關(guān)鍵問題需要注意:
(1)部件結(jié)構(gòu)調(diào)整:為加強基材的阻濕性和提高EVOH的阻氧性,復(fù)合材料設(shè)計為不對稱結(jié)構(gòu)。不對稱結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整分層器中間層或外層來實現(xiàn),若對分層器中間層作不對稱調(diào)整,容易使得粘合層樹脂也會隨著表層樹脂一起形成不對稱結(jié)構(gòu),導(dǎo)致薄側(cè)粘結(jié)層樹脂量減少從而使得粘結(jié)強度下降,造成分層現(xiàn)象。因此只能對外層調(diào)節(jié)器進行調(diào)整,實際生產(chǎn)可根據(jù)產(chǎn)品厚度進行選擇性調(diào)整,但必須保證薄層在二次成型時拉伸不斷裂。
(2)工藝溫度調(diào)整:由于EVOH樹脂與PP樹脂及粘結(jié)樹脂的流變速率存在差異,且EVOH樹脂處于中間層,受多層樹脂壓力的影響,樹脂流動性會受到一定的障礙,故復(fù)合材料兩邊的EVOH層會相應(yīng)減少,樹脂分布不均勻直接對材料的阻隔性能造成影響,二次成型時受熱也會不均勻,成型難度大,嚴(yán)重時會造成EVOH層斷層導(dǎo)致阻隔性能喪失。因此在生產(chǎn)時模具兩端的溫度要調(diào)高5℃左右,提高材料兩邊EVOH層的流動性,保證EVOH層的分布均勻性。
(3)擠出機選型原則:EVOH樹脂對溫度和剪切都較為敏感,因此在選擇擠出機型號時,以小型號、長徑比小為原則。樹脂在料筒停留的時間不宜太長,加工溫度不能超過該樹脂的上限溫度,螺桿的剪切不能過大,轉(zhuǎn)速不可過快。
(4)停機處理方式:由于EVOH樹脂容易產(chǎn)生凝膠現(xiàn)象,且與其它樹脂的相容性較差,因而在生產(chǎn)前、后對螺桿和料筒要進行清洗,清洗最好使用熔融指數(shù)較高的聚烯烴類樹脂,清洗時間不能少于30分鐘,清洗過程采用波浪式清洗法,觀察擠出的樹脂無雜質(zhì)才可正式生產(chǎn)或停機。
(5)廢邊加收形式:不同材質(zhì)的多層結(jié)構(gòu)在兩側(cè)邊緣一般都是需要進行修整,修整下來的殘余中包括了多層的不同原料,這樣導(dǎo)致修整后的余料不好回收利用。為了達(dá)到包邊的余料的回收,通過增加包邊擠出機,模具結(jié)構(gòu)調(diào)整,使兩側(cè)有包邊流體通道,包邊流體通道內(nèi)的流體與復(fù)合層的在出口處匯集成制品,包邊流體通道內(nèi)的流體包裹在制品的兩側(cè)邊緣,修整邊緣時那么修整下來的余料都為流體同一材質(zhì),利于回收。
04 EVOH多層共擠片材設(shè)備智能化改進內(nèi)容
以新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)融合發(fā)展為主要特征的產(chǎn)業(yè)變革在全球范圍內(nèi)孕育興起,智能制造已成為制造業(yè)發(fā)展的主要方向?;ヂ?lián)網(wǎng)+工業(yè)化的推廣應(yīng)用,促進產(chǎn)品的升級換代,產(chǎn)品生產(chǎn)從原料改性、工藝優(yōu)化、設(shè)備精密制造,操作模式等智能應(yīng)用,突破原來模式,通過加入智能化單元(包括機械、傳感、電氣和智能化軟件,具有記憶、感知、計算和決策功能),使得設(shè)備操作更加便捷,提高產(chǎn)品品質(zhì)和附加值。能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)自動檢測;能夠根據(jù)制品及原料要求自動管理各種工藝參數(shù),實現(xiàn)動態(tài)設(shè)置和存儲;能夠監(jiān)控生產(chǎn)運行狀態(tài)并自動調(diào)整;能夠智能優(yōu)化處理各種運行參數(shù)。智能化單元內(nèi)置了人工智能算法,具備工藝參數(shù)學(xué)習(xí)能力,能夠通過有限試驗樣本訓(xùn)練,找到適合特定產(chǎn)品的設(shè)備最優(yōu)工藝參數(shù),各功能裝置協(xié)同配合,確保產(chǎn)品的質(zhì)量,降低能耗,突出綠色化、智能化特點。
EVOH硬包裝多層共擠片材設(shè)備智能化改進內(nèi)容:
1、各擠出機的原料供給系統(tǒng)可選配自動配料系統(tǒng),按各組合配比要求自動計量,適應(yīng)于新料、回料、色母等比例的控制,與主擠聯(lián)動配合,提高配料準(zhǔn)確性及大大降低勞動強度,能在料位降低情況下提前預(yù)警并反饋補償措施;
2、優(yōu)化設(shè)計高效擠出螺桿,采用計算機仿真設(shè)計與實驗數(shù)據(jù)相結(jié)合,通過不同原料組合及工藝參數(shù),達(dá)到制品塑化好,能耗低、產(chǎn)量高的高效螺桿;
3、選配高性能減速箱,確保高扭矩,高轉(zhuǎn)速、能耗低,噪音??;
4、擠出機配套計量泵定量穩(wěn)壓輸送,一般在過濾網(wǎng)前及計量泵前后配備壓力傳感器,壓力與轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制,第一級是網(wǎng)前壓力與主螺桿電機閉環(huán)控制,第二級是計量泵后與計量泵電機閉環(huán)控制,所有壓力信號進入PLC后運算輸出控制變頻,驅(qū)動電機,設(shè)置有預(yù)警、反饋控制、顯示功能;
5、精密多層分配器,采用流量比例與葉片間隙比例雙調(diào)節(jié)技術(shù),分層更加均勻;
6、選用高效節(jié)能機筒加熱圈,確保加熱系統(tǒng)的節(jié)能及穩(wěn)定性;并配套高低溫報警及補償裝置,
7、配備靜態(tài)混合器,有利于材料更均勻擠出,特別生產(chǎn)顏色料片材;
8、可選配全自動調(diào)節(jié)模頭,配套測厚儀,實現(xiàn)厚度自動反饋控制,實現(xiàn)擠出片材厚薄自動控制;
9、三輥壓光輥筒壓合采用伺服電機控制裝置,配套輥筒間隙光柵測量,閉環(huán)反饋,結(jié)構(gòu)緊湊,生產(chǎn)片材厚薄在線自動調(diào)節(jié),使操作簡單;
10、輥筒水流道采用夾層多流道形式,需注意流道水阻力及分配均勻性,確保輥面溫差一致,通常采用大流量從中間向兩邊分散的進出流道結(jié)構(gòu);
11、輥筒水溫控制系統(tǒng)采用伺服比例閥自動水溫調(diào)節(jié),加熱冷卻溫度雙PID控制技術(shù)等;
12、配套在線切邊、破碎、輸送回收系統(tǒng),實現(xiàn)廢料自動回收,環(huán)保衛(wèi)生;
13、卷取前配備儲片架,可連續(xù)儲存片材,滿足換卷時不降速換卷;
14、收卷結(jié)構(gòu)設(shè)計采用在線不停機換卷及卸卷裝置,節(jié)省大量的作業(yè)時間和人工消耗,同時需注意換卷起卷時壓合,使片材收卷平整;
15、功能上,可選在線涂布復(fù)合系統(tǒng),需確保涂布后表面均勻,過烘干裝置后,片材表面完全烘干和不能出現(xiàn)明顯油斑,雙面貼膜可按不同功能要求采用熱復(fù)膜或冷復(fù)膜,熱復(fù)時注意膜材的耐溫性,選擇合適復(fù)合溫度,如直接進入熔融片材復(fù)合或經(jīng)定輥合適冷卻位置進入復(fù)合,確保復(fù)合平整;
16、配套雙面表面瑕疵檢測系統(tǒng),在線檢測產(chǎn)品表面質(zhì)量(如晶點、黑點或缺陷);
17、整機采用PLC控制,數(shù)據(jù)化信息采集系統(tǒng),實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)運算及反饋、報警等功能的自動化控制;
18、先進雙PID控制算法技術(shù),對技術(shù)數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計分析,實時提供改進措施,確保生產(chǎn)過程始終處于統(tǒng)計控制狀態(tài),以提高制品的質(zhì)量、精度、能耗等性能指標(biāo)。
19、遠(yuǎn)程控制技術(shù),通過服務(wù)器中心工業(yè)數(shù)據(jù)中心和工業(yè)數(shù)據(jù)采集與分析軟件、遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)電機健康檢測分析系統(tǒng)、設(shè)備能源管理優(yōu)化系統(tǒng)等,對在客戶工廠的供應(yīng)商設(shè)備實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和對各種工藝數(shù)據(jù)采集和存儲,并進行工藝數(shù)據(jù)分析,優(yōu)化生產(chǎn)工藝配方。
05 智能片材設(shè)備市場未來發(fā)展方向
國內(nèi)需求的日益增長,復(fù)合高阻隔保鮮包裝片材用量也在逐年增加,在高檔肉食品、快餐米飯等食品包裝,特別是藥品、化妝品等具有更優(yōu)異的性能,前景看好。近年來,國內(nèi)勞動力成本的不斷增加,人們對設(shè)備的產(chǎn)量、能耗、環(huán)保和自動化提出了更高的要求,國內(nèi)少家片材高端設(shè)備制造廠家,依據(jù)可持續(xù)綠色發(fā)展需要,集中優(yōu)勢資源,與國內(nèi)外多家先進的原料供應(yīng)商、研究院與產(chǎn)品生產(chǎn)商等共同研發(fā),充分運用現(xiàn)代高精尖設(shè)備,提高裝備零部件加工精度,設(shè)計優(yōu)化各類零件結(jié)構(gòu),優(yōu)化加工工藝,提升設(shè)備整體性能。
當(dāng)前,移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、第五代移動通信(5G)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)不斷取得突破,特別是新一代人工智能(AI)技術(shù)與先進制造技術(shù)深度融合所形成的新一代智能制造技術(shù),已成為新一輪工業(yè)革命的核心驅(qū)動力[5]。;其次,食品、飲料以及新能源等工業(yè)領(lǐng)域?qū)Ω咝阅馨b行業(yè)需求持續(xù)高漲,推動多層共擠技術(shù)不斷推陳出新;第三、擠出設(shè)備的各種配套零部件加工領(lǐng)域的開發(fā)力度,新技術(shù)應(yīng)用與拓展步伐加快,推動整體裝備技術(shù)水平的迅速提高,擠出設(shè)備市場需求正凸現(xiàn)顯著特點:節(jié)能高效,數(shù)據(jù)化、自動化、智能化擠出片材機是成為技術(shù)創(chuàng)新的方向,智能化引領(lǐng)產(chǎn)品的發(fā)展未來。
正因如此,積極開發(fā)硬包裝多層共擠智能化片材機是行業(yè)搶占市場的商機的重要措施。打造高效節(jié)能、綠色環(huán)保、智能高品質(zhì)多層共擠片材擠出裝備,朝著數(shù)字化、自動化、智能化挺進,同時滿足產(chǎn)品綠色包裝,技術(shù)創(chuàng)新,可持續(xù)發(fā)展方向,不斷拓展設(shè)備應(yīng)用市場,增加產(chǎn)品附加值,以綜合的性價比優(yōu)勢和過硬的質(zhì)量保障,為中國智造助力升威。
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