摘要：本文介紹了EVOH的特性及使用EVOH加工的高阻隔復(fù)合膜的用途；分析和研究了五層共擠EVOH共擠復(fù)合膜機組在研制中注重考慮和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。確定了五層共擠EVOH高阻隔復(fù)合膜機組在原材料選取；擠出機螺桿設(shè)計；共擠模具設(shè)計；冷卻形式；人字板結(jié)構(gòu)；糾偏裝置；卷取機及張力控制裝置等一系列技術(shù)參數(shù)的選擇。為研究其他相關(guān)產(chǎn)品提供了借鑒和參考。 

　 關(guān)鍵詞：EVOH共擠復(fù)合膜、多層共擠成型技術(shù)、多層共擠成型設(shè)備

1 概述

　　乙烯-乙烯醇共聚物簡稱EVOH，其與聚偏二氯乙烯（PVDC）和聚酰胺（PA）并稱為世界上三大高阻隔樹脂。由于EVOH樹脂優(yōu)良的阻氣性、透明性、可加工性、耐溶劑性以及近年來人們強調(diào)食品安全問題、食品的保鮮問題、環(huán)境污染等問題，使得EVOH需求快速增長，專家預(yù)測“全球EVOH需求在未來兩三年內(nèi)的增長速度將會達到12%~15%，而其后到2010年的增長速度將會在10%~12%左右。今后以中國、東南亞為主的地區(qū)有可能對EVOH產(chǎn)生大量的需求。”EVOH的應(yīng)用主流是食品包裝、汽車油箱，約占EVOH總產(chǎn)量的60%以上。我國目前尚不能生產(chǎn)EVOH樹脂，依賴進口，國內(nèi)僅有少數(shù)廠家使用進口設(shè)備生產(chǎn)共擠復(fù)合膜、中空制品、片材等制品。國內(nèi)制造加工EVOH專用設(shè)備處在探索實驗階段，開發(fā)EVOH加工設(shè)備勢在必行，我們研制了EVOH五層共擠復(fù)合膜專用機組，旨在探索加工EVOH的經(jīng)驗。

2 EVOH介紹

2.1 EVOH分子結(jié)構(gòu)

    EVOH分子結(jié)構(gòu)，可視為乙烯-乙烯醇共聚體，在EVOH中，通常乙烯組分的含量在30~50mol%范圍內(nèi)。

2.2 EVOH性能簡介

　　EVOH為半結(jié)晶型熱塑性樹脂，其分子中含有羥基分子和分子間氫鍵彼此強烈的鍵合，使氧氣擴散所需的鏈段運動嚴(yán)格受分子內(nèi)和分子間內(nèi)聚能限制，分子鏈柔性不，分子間自由運動暫時形成空間幾率小，因此它有很好阻隔性能。EVOH含有羥基易吸收水分，其阻水性較差，在濕度較高的條件下，水對EVOH有增塑作用，氫鍵的鍵合能力下降，鍵段活動能力增加，氣體就容易通過，阻隔性下降，因此，EVOH做高阻隔復(fù)合膜時配合聚烯烴材料使用。

　　由于EVOH是共聚結(jié)構(gòu)，隨著乙烯與乙烯醇組分含量的不同，其性能也相應(yīng)變化，乙烯含量增加，對非極性氣體（氧、二氧化碳、氮）的阻隔性下降而成型加工性能及防潮性能則有所改善。EVOH具有良好耐有機溶劑性如：耐油脂、耐大多數(shù)化學(xué)品等并具有很高機械強度、彈性模量、表面硬度、耐氣候性。EVOH加工成的薄膜具有高光澤、低霧度，但其存在易受潮濕影響阻隔性，不易拉伸等不足之處。

2.3 EVOH材料選擇

　　EVOH樹脂生產(chǎn)廠家有日本可樂麗公司生產(chǎn)的薄膜級EF-H、EF-F類牌號，日本合成化學(xué)公司生產(chǎn)的薄膜級DT、ET、AT、DC、H類牌號。EVOH一般乙烯含量在28~48mol%之間，用于共擠的EVOH樹脂，乙烯含量一般使用38~44%，熔融指數(shù)一般1.6~3.56。

2.4 EVOH共擠復(fù)合薄膜的用途

　　EVOH共擠復(fù)合膜作為包裝用膜，可涉及的領(lǐng)域很廣，例如：耐腐蝕化工產(chǎn)品的包裝；桶裝化工產(chǎn)品的內(nèi)襯；農(nóng)藥，醫(yī)藥品的包裝；油料、涂料、有機調(diào)色劑、化妝品、牙膏的包裝；香辣調(diào)味品、飲料、茶葉、肉制品、冷凍食品、海產(chǎn)品及保鮮食品的包裝等等。

3 EVOH五層共擠復(fù)合膜機組結(jié)構(gòu)及生產(chǎn)原理

3．1 機組結(jié)構(gòu)

　　我公司研制的EVOH五層共擠高阻隔復(fù)合膜機組主要用于折徑250~800mm的EVOH五層共擠高阻隔復(fù)合膜，膜厚0.05~0.15mm，生產(chǎn)速度3~35m/min。

3.2 機組生產(chǎn)原理
（1）五臺擠出機分別將要求的樹脂輸送、塑化、計量并擠入共擠成型模具。
（2）共擠復(fù)合成型模具擠出膜坯，膜坯內(nèi)通入壓縮空氣控制膜泡折徑，在擠出量和折徑恒定條件下，調(diào)整牽引速度可控制薄膜的厚度。
（3）雙風(fēng)道冷卻風(fēng)環(huán)對膜泡進行冷卻。
（4）穩(wěn)泡裝置穩(wěn)定膜泡。
（5）垂直旋轉(zhuǎn)牽引完全消除薄膜的“暴筋”。
（6）糾偏裝置保證薄膜按設(shè)定的軌跡向前運動。
（7）張力控制裝置保證薄膜獲得恒定的張力后卷取。

4 擠出機螺桿結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)的選擇

　　為了適應(yīng)擠出機加工不同原料的需要，我們?yōu)閿D出機設(shè)計了不同參數(shù)的螺桿，如：PA專用螺桿、EVOH專用螺桿，LLDPE及粘合劑專用螺桿，以保證塑化質(zhì)量與穩(wěn)定擠出。（本文省略其他樹脂螺桿的設(shè)計）

4.1 加工EVOH的螺桿結(jié)構(gòu)及參數(shù)

　　EVOH是半結(jié)晶熱塑型樹脂，熔融黏度高，熔融范圍窄，在擠出過程中容易產(chǎn)生熔體滯留，滯留的EVOH分子可出現(xiàn)脫水、形成雙鍵，產(chǎn)生交聯(lián)，出現(xiàn)“凝膠”現(xiàn)象，甚至碳化。為了防止“凝膠”、碳化現(xiàn)象，我們把加工EVOH的螺桿設(shè)計成全螺紋形成并對螺桿實施鍍鉻處理，擠出EVOH螺桿參數(shù)選擇為：螺桿直徑在滿足擠出量前提下選取小數(shù)值，以減小EVOH受熱時間，物料流動速率加快，自潔性加強，EVOH屬剪敏性物料，小的螺桿直徑提供設(shè)定的擠出量，螺桿轉(zhuǎn)速必然提高，利于其粘度降低，這非常利于與其他共擠樹脂粘度匹配。螺桿壓縮比為3~4，常用3：1；長徑比L/D為24~30：1，常用24~26：1（過小的長徑比不利于EVOH塑化并且易帶入空氣，制品中產(chǎn)生氣泡）；加料段長度L1=8~9D，壓縮段長度L2=6~10D，計理段長度L3=8~13D，三段應(yīng)根據(jù)EVOH乙烯含量確定，如：乙烯含量低L1、L3可短一些。

5 五層共擠復(fù)合成型模具的研制

　　共擠復(fù)合成型模具的結(jié)構(gòu)形式分為芯棒式；堆疊（平面或斜面）式兩種變形形式等。

5.1 芯棒式共擠復(fù)合成型模具

　　各層物料沿各自流道進入芯棒式共擠模具，沿軸向運動并在共擠模具內(nèi)匯合后被擠出共擠模具。由于結(jié)構(gòu)原因，芯棒式共擠復(fù)合成型模具最外層與最內(nèi)層樹脂的融體流速差隨層數(shù)增加而加大，靠近外層樹脂融體流速慢，易產(chǎn)生物料滯留，對于熱穩(wěn)定性相對較差的樹脂（如EVOH；PVOH等）尤為不利。同時，內(nèi)、外層溫度相互干擾，造成對樹脂選擇相對苛刻。其優(yōu)勢在于各層匯合后的融合在模具中停留時間短，利于各層厚度公差的減少，模具制造精度易于保障，模具承受高聚物融體壓力低，模具不易漏料。

5.2 疊加式共擠復(fù)合成型模具

　　各層物料沿各自流道進入疊加式共擠模具，沿軸向運動并在共擠模具內(nèi)分別匯合后被擠出共擠模具。疊加式共擠復(fù)合成型模具加快了外層、次外層高聚物融體流速并且可以實現(xiàn)各層溫度的單獨控制；模具流道、擠出機與模具連接流道易于實現(xiàn)流線型設(shè)計，其不足之處為不同層高聚物融體匯合后在模具中停留時間長，有造成各層厚度公差加大的因素（通過工藝調(diào)整可解決），模具承受高聚物融體總壓力大。錐面疊加式共擠模具改善了模具承受高聚物融體總壓力大的不足，同時減小了高聚物融體與模具接觸面積，減小了融體受勢的流程，其模具制造難度大，制造費用高。

5.3 共擠模具結(jié)構(gòu)的確定

　　EVOH共擠薄膜所使用高聚物PE、PP、PA、EVA、EMA、EAA、surlyn、Ionomer等樹脂，其中EVOH加工較為困難，根據(jù)EVOH要求確定模具結(jié)構(gòu)。EVOH與金屬粘附力強，模具流道突變、銳角、流道截面積大易造成EVOH滯留，同時考慮制造成本確定采用平面疊加式共擠復(fù)合成型模具。
以下對EVOH在疊加式共擠復(fù)合成型模具中流道形式；流道參數(shù)；螺旋結(jié)構(gòu)；模口間隙等參數(shù)選擇簡述如下。（本文省略其他樹脂模具結(jié)構(gòu)及參數(shù)的設(shè)計）

（1）模具流道采用流線形設(shè)計，流道截面積減小。
（2）螺旋升角θ選小值，減小滯留區(qū)。模具楔角β選小值，利于EVOH層均勻性提高。
（3）口模間隙應(yīng)根據(jù)共擠薄膜結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)速度確定模口間隙。
（4）EVOH樹脂粘度大，其壓力可達240Mpa，模具剛度應(yīng)校核，不能產(chǎn)生大的繞度，避免模具漏料。
（5）避免EVOH與模具粘附，流道采取境面拋光并表面鍍鉻處理。

6 冷卻風(fēng)環(huán)的選擇

　　EVOH共擠薄膜一般厚度在50~100μm，同時考慮產(chǎn)能提高，采用雙風(fēng)道風(fēng)環(huán)，雙風(fēng)道風(fēng)環(huán)優(yōu)勢在于下風(fēng)道吹出的空氣流受到上風(fēng)道吹出的氣流沖擊，形成紊流混合，破壞了滯留邊界層，強化了傳熱過程，同時，上風(fēng)道吹出的氣流對下面的氣流還起到攜帶的作用，使新鮮的冷卻空氣不斷地高速流過薄膜表面，冷卻效果更為顯著。為了保證膜泡穩(wěn)定和快速冷卻，我們選擇下風(fēng)道出風(fēng)角40°，上風(fēng)道出風(fēng)角110°的設(shè)計。

7 穩(wěn)泡裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　在上吹機組中，共擠復(fù)合成型模具與人字板之間距離大，為了保證膜泡穩(wěn)定地進入人字板，我們設(shè)計了穩(wěn)泡裝置。該穩(wěn)泡裝置采用可調(diào)整籠式結(jié)構(gòu)并且實現(xiàn)自動升降，對膜泡起到穩(wěn)定作用。穩(wěn)泡裝置與薄膜接觸的零件采用自潤滑材料，避免蹭傷膜面。

8 人字板的結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　人字板結(jié)構(gòu)的設(shè)計，是保證薄膜平整的重要環(huán)節(jié)，為足薄膜薄膜外層不同材質(zhì)的需要，我們設(shè)計了鋁合金滾筒涂覆四氟乙烯，該結(jié)構(gòu)均化了冷卻，減少了摩擦，保證了薄膜平整度。

9 薄膜旋轉(zhuǎn)機構(gòu)

　　薄膜吹塑成型時，薄膜橫截面總會有無法消除的厚點，這是高聚物熔體非牛頓特性及模具加工精度因素造成的，在薄膜卷取時厚點的積累使膜卷表面產(chǎn)生“暴筋”，“暴筋”嚴(yán)重影響薄膜的表觀質(zhì)量，同時對后續(xù)印刷造成影響。為解決“暴筋”問題，通常采用使厚點離散分布，可采用旋轉(zhuǎn)擠出機機臺、旋轉(zhuǎn)模具、旋轉(zhuǎn)牽引等辦法解決。模具旋轉(zhuǎn)方法易造成薄膜斜紋路，易漏料，清理維修困難；旋轉(zhuǎn)擠出機臺方法的不足是旋轉(zhuǎn)體積大、加工費用高等，現(xiàn)今大多用旋轉(zhuǎn)牽引來取代上述兩種方法，其避免了模具漏料問題，解決了旋轉(zhuǎn)體積大等問題。本設(shè)計采用了旋轉(zhuǎn)牽引。

10 收卷機的設(shè)計

10.1 卷取機結(jié)構(gòu)的選擇

　　薄膜收卷機形式，常用有中心卷取、表面卷取。中心卷取適應(yīng)范圍廣，實現(xiàn)自動換卷機構(gòu)復(fù)雜，手工換卷工作量大。表面卷取機構(gòu)簡單，實現(xiàn)自動換卷簡單，手工換卷操作簡便，其缺點不適應(yīng)厚度很薄、外層使用帶粘性的樹脂共擠膜的卷取。考慮到工作的可靠性，確定采用自動、手動換卷兩種形式的表面卷取。

10.2 張力控制

　　在薄膜生產(chǎn)過程中，張力控制對薄膜卷取質(zhì)量至關(guān)重要，我們采取意大利Re公司磁粉離合器控制薄膜張力，為配合張力控制增加了重力浮動輥結(jié)構(gòu)。

結(jié)束語

　　我公司研制的EVOH五層共擠高阻隔復(fù)合膜機組，為加工EVOH共擠薄膜設(shè)備制造進行了有益的實踐，設(shè)備在自動化控制方面與國外先進設(shè)備比尚有差距。我們相信：隨著國家相關(guān)行業(yè)的發(fā)展，通過對EVOH五層共擠高阻隔復(fù)合膜機組的進一步研究，機組技術(shù)水平會趕上發(fā)達國家，我們愿意與同仁一道為我國塑料加工業(yè)的進步繼續(xù)努力工作。