吹膜工業(yè)已經(jīng)從單層膜結(jié)構(gòu)發(fā)展到多層膜結(jié)構(gòu)，用于各種食品和非食品包裝應(yīng)用。根據(jù)產(chǎn)品的要求，各種各樣的材料可以被整合到薄膜結(jié)構(gòu)中，以獲得所需的性能。
在這一領(lǐng)域工作的工藝工程師必須對聚合物流變學(xué)有基本的了解，以便正確指定設(shè)備和選擇工藝條件。如果不充分了解聚合物的特性，在加工過程中會發(fā)生不必要的層間相互作用，這可能會導(dǎo)致薄膜的缺陷。

流變學(xué)是對材料變形和流動的研究。材料所經(jīng)歷的變形和流動程度取決于其流變性。對于聚合物，這些性能取決于物理特性，例如分子量（MW）、分子量分布（MWD）、長鏈支化（LCB）和熔融溫度。在吹膜共擠出中，要考慮的最重要的流變性質(zhì)是剪切粘度、粘性耗散和伸長粘度。

剪切粘度是材料經(jīng)受剪切流動的阻力的量度，并且受剪切應(yīng)力和剪切速率的影響。剪切應(yīng)力定義為施加在材料上的每單位面積的力，而剪切速率定義為材料的變形率。

聚合物是非牛頓流體，因此其粘度在剪切速率變化時不會保持恒定。通常，聚合物的剪切粘度將隨著剪切速率的增加而降低，這種行為稱為剪切稀化。聚合物剪切變稀的速度決定了它的加工方式。例如，高度支化的聚合物比線性聚合物對剪切更敏感，因此，在較高的剪切速率下，剪切粘度將更快地下降。處理高粘性材料將導(dǎo)致熔體溫度升高，壓頭升高，并且需要更多的擠出機(jī)施加扭矩.

當(dāng)聚合物被剪切時，其分子結(jié)構(gòu)內(nèi)的鏈纏結(jié)開始解開。這種解纏過程會產(chǎn)生熱量，這種現(xiàn)象稱為粘性耗散。粘性耗散與所施加的剪切速率和聚合物粘度均成比例，這意味著聚合物粘度和/或剪切速率的增加將導(dǎo)致熔體溫度的增加。這種現(xiàn)象會在擠出機(jī)機(jī)筒和熔體之間產(chǎn)生溫度梯度。如果沒有適當(dāng)考慮，熔融溫度的升高可能導(dǎo)致聚合物過熱和降解。

伸長粘度定義為材料的抗拉伸性。類似于剪切粘度，聚合物的伸長粘度將取決于其分子結(jié)構(gòu)。具有高LCB度的聚合物將具有高的伸長粘度，因為長的支鏈在延伸過程中相互纏結(jié)。可以在不發(fā)生材料斷裂的情況下施加到熔體的最大張力稱為熔體強(qiáng)度。伸長粘度較高的材料將具有較高的熔體強(qiáng)度。聚合物的熔體強(qiáng)度將影響在吹膜擠出中形成的氣泡的穩(wěn)定性。具有較低熔體強(qiáng)度的材料更難加工，因為它在氣泡形成過程中在拉伸時會更容易斷裂。

常見問題和故障排除技術(shù)

盡管生產(chǎn)多層膜是有利的并且為改善膜性能提供了機(jī)會，但是增加的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性給工藝工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。為了成功生產(chǎn)多層膜，要考慮四個關(guān)鍵因素：1）聚合物選擇，2）工藝設(shè)備設(shè)計，3）層排列和4）工藝條件。當(dāng)未充分考慮這些因素中的一個或多個時，就會出現(xiàn)吹膜共擠出的問題。與吹膜共擠相關(guān)的五個常見問題以及每種問題的故障排除技術(shù)將在下面詳述。

1.氣泡不穩(wěn)定性：術(shù)語“氣泡不穩(wěn)定性”涵蓋許多與擠出氣泡穩(wěn)定性相關(guān)的問題。主要問題包括氣泡破裂、應(yīng)變硬化、不穩(wěn)定的霜凍線和氣泡顫動。

氣泡破裂：當(dāng)離開模具的熔融材料過度拉伸時，就會發(fā)生氣泡破裂，從而導(dǎo)致氣泡結(jié)構(gòu)破裂。當(dāng)擠出材料的熔體強(qiáng)度不足以達(dá)到選定的吹脹比（BUR）時，就會發(fā)生這種情況。為了避免這個問題，可以對樹脂的選擇進(jìn)行修改，以將更高熔體強(qiáng)度的材料結(jié)合到薄膜結(jié)構(gòu)中，以提高整體熔體強(qiáng)度。這樣的一個示例是將低密度聚乙烯（LDPE）合并到線性低密度聚乙烯（LLDPE）薄膜中，以提高其總體熔體強(qiáng)度。

應(yīng)變硬化：當(dāng)熔融聚合物在縱向（MD）上快速拉伸并因此變硬時，就會發(fā)生應(yīng)變硬化。這引起內(nèi)部氣泡壓力和氣泡寬度的波動。可以通過降低回撤率來避免此問題。另一種解決方案是改變樹脂的選擇，以降低薄膜的總體伸長粘度，使薄膜在MD上拉伸更多，而不會發(fā)生任何應(yīng)變硬化。

霜線不穩(wěn)定：在穩(wěn)定的過程中，霜線將保持在模具上方的恒定高度，并受冷卻速度，模具產(chǎn)量和膜厚均勻性的控制。當(dāng)過程變得不穩(wěn)定時，霜凍線的位置也會變得不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定性的一個原因是擠出物中的溫度分布不均勻。

熔體溫度的變化可能源于所選樹脂的螺桿設(shè)計不正確，螺桿磨損或加熱器或熱電偶故障。在合并之前，應(yīng)為每股物流獲取熔體溫度，以確定哪個熔體層是溫度變化的根源。一旦定位，就可以將螺釘卸下并檢查聚合物是否降解以及螺釘?shù)哪p情況。還應(yīng)檢查所有加熱器和熱電偶的功能。

霜線不穩(wěn)定的另一個常見原因是模具堵塞。模具吞吐量不均勻可能是由于模具中降解材料的堆積所致。為避免這種情況，應(yīng)定期檢查模具是否有材料堆積，并在必要時進(jìn)行清潔。

氣泡飄動：氣泡飄動在霜凍線以下開始，并在氣泡表面的橫向（TD）上顯示為線性標(biāo)記。這種顫動是由來自空氣環(huán)的高空氣速度引起的。降低鼓風(fēng)機(jī)速度或調(diào)節(jié)空氣環(huán)組件以減少沿氣泡表面的氣流，將防止氣泡飄動。但是，減少氣流將隨后降低空氣環(huán)的冷卻效率，這可能會導(dǎo)致霜凍線從模具中移走，從而導(dǎo)致新的問題。為避免這種情況，可以優(yōu)化樹脂選擇以降低擠出物的總?cè)垠w粘度并降低總?cè)垠w溫度。

2.規(guī)格變化：在吹塑薄膜共擠中，不可避免的是在薄膜中（通常在TD中）會有某種程度的規(guī)格變化。具有低規(guī)格變化程度的膜的規(guī)格輪廓的示例可以在圖1a中看到。但是，如果在處理期間開始出現(xiàn)意外問題，則規(guī)格偏差的程度會增加。有一些不同的問題可能會導(dǎo)致儀表變化增加，并且可以通過檢查氣泡的儀表輪廓的形狀來確定問題的原因。

模具未對準(zhǔn)：規(guī)格偏差的常見來源是模具間隙未對準(zhǔn)。模具未對準(zhǔn)會導(dǎo)致離開模具的材料流動分布不均勻。模具未對準(zhǔn)的常見指示器是偏移量規(guī)輪廓，如圖1b所示。要糾正此問題，應(yīng)檢查模具間隙沿圓周的均勻性。如果未對齊，則可以使用模具調(diào)節(jié)螺栓來重新放置模具。

圖1 經(jīng)歷以下情況的膠片樣品的標(biāo)尺圖示例：A）最小標(biāo)尺變化；B）偏移量規(guī)的變化。

不均勻的空氣環(huán)冷卻：空氣環(huán)中不良的空氣流或不均勻的空氣流將導(dǎo)致薄膜冷卻不均勻，這將影響薄膜的拉伸比。這可能會導(dǎo)致薄膜部分比其他部分被拉伸得更多，這可能會導(dǎo)致規(guī)格變化。為避免此問題，應(yīng)定期檢查和清潔空氣環(huán)中的空氣通道，以去除可能引起氣流干擾的所有雜質(zhì)。還應(yīng)檢查空氣環(huán)，以確保其在模具上正確居中。

熔體溫度不均勻：熔體溫度不均勻會導(dǎo)致氣泡冷卻速率和模頭產(chǎn)量變化。熔體溫度不均勻的一個明顯跡象是正弦規(guī)格曲線。這種正弦規(guī)格變化的形成與具有不均勻熔體溫度的材料通過模具的流動有關(guān)，這種現(xiàn)象被稱為端口線。如前所述，熔體溫度的變化很可能是由于螺釘設(shè)計不當(dāng)或磨損造成的。

3.界面不穩(wěn)定性：術(shù)語界面不穩(wěn)定性是指在兩層之間的界面處發(fā)生的不穩(wěn)定性。接口的穩(wěn)定性將取決于諸如材料特性，工藝條件和設(shè)備設(shè)計特征之類的因素。在吹膜共擠出過程中可能會出現(xiàn)三種已知類型的界面不穩(wěn)定性。

之字形界面不穩(wěn)定性：當(dāng)界面承受過大的剪切應(yīng)力時，會出現(xiàn)這種形式的不穩(wěn)定性，從而導(dǎo)致沿TD方向的膜表面形成“之字形”變形。這種不穩(wěn)定性的圖像如圖2所示。

圖2 經(jīng)歷高剪切并呈現(xiàn)鋸齒形界面不穩(wěn)定性的聚合物界面圖像。

之字形不穩(wěn)定性有一些已知的原因。首先是產(chǎn)生界面的材料之間的剪切粘度差異。如果材料具有明顯不同的剪切粘度，則各個層在施加的剪切應(yīng)力下將經(jīng)歷不同的剪切速率，從而導(dǎo)致出現(xiàn)鋸齒形變形。可以通過選擇具有類似剪切粘度的材料（如果可能）來創(chuàng)建界面來緩解這種情況。

第二個原因是層比率不合適。如果選擇的層比率使得界面距離模具壁太近，則過大的剪切應(yīng)力將觸發(fā)變形。為了防止這種情況，可以增加外層的厚度，以使界面從壁上移開并減小施加到壁上的剪應(yīng)力。

第三個原因是模具設(shè)計不當(dāng)。設(shè)計模具時，適當(dāng)優(yōu)化流體通道以在整個模具中創(chuàng)建均勻的速度分布非常重要。模具設(shè)計不當(dāng)可能導(dǎo)致形成高剪切點和不均勻的速度分布，從而導(dǎo)致這種不穩(wěn)定性。

波界面不穩(wěn)定性：這種形式的不穩(wěn)定性是由于兩種材料之間的界面處發(fā)生不均勻的伸長變形而導(dǎo)致的，當(dāng)氣泡從模具中擠出時，會沿著氣泡表面形成波狀圖案。在圖3中可以看到這種不穩(wěn)定性的圖像。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這種不穩(wěn)定性的伸長變形是從兩個已知的來源發(fā)生的。第一個與層比率不合適有關(guān)。如果結(jié)構(gòu)的組合層之一太薄，它將在模具中的合并點處經(jīng)歷更大的加速度，從而導(dǎo)致該層中較高的伸長變形率。應(yīng)調(diào)整層的比率，以允許在合并點的下游形成更均勻的速度分布。

圖3 顯示波界面不穩(wěn)定性的聚合物界面的圖像。

第二個來源是構(gòu)成界面的材料的伸長粘度的差異。兩種具有不同伸長粘度的材料會經(jīng)受相同的伸長力，它們會以不同的速率變形。如果可能，應(yīng)選擇具有類似伸長率特性的材料來創(chuàng)建界面。

反應(yīng)性界面不穩(wěn)定性：在共擠出由極性阻隔樹脂和粘結(jié)層組成的多層結(jié)構(gòu)時，可能會形成反應(yīng)性界面。阻隔樹脂通常與聚烯烴樹脂層一起共擠出。這些結(jié)構(gòu)通常在它們之間需要一個粘結(jié)層，以改善彼此之間的粘合性。粘結(jié)層是由極性和非極性端基組成的聚合物。有時，粘結(jié)層的極性端基與極性阻隔樹脂之間可能發(fā)生不需要的化學(xué)反應(yīng)，從而形成不穩(wěn)定的界面。這些反應(yīng)的結(jié)果是降低了光學(xué)清晰度，并使薄膜具有更粗糙的外觀。

這種不穩(wěn)定性的一個例子是EVOH與帶有馬來酸酐（MA）官能團(tuán)的粘結(jié)層之間的界面。在連接層的MA和沿著EVOH鏈的羥基之間可能發(fā)生不必要的反應(yīng)。這種不穩(wěn)定性的視覺示例如圖4所示，該圖比較了在相同條件下共擠出的無粘結(jié)層（圖4a）和MA粘結(jié)層（圖4b）的PP / EVOH多層膜。由于在EVOH和MA粘結(jié)層之間的界面上發(fā)生了不希望的相互作用，因此添加了MA粘結(jié)層導(dǎo)致光學(xué)膜清晰度急劇下降。為了防止這種情況的發(fā)生，可以用由不同功能端基組成的連接層代替連接層。

圖4 ?：A）非反應(yīng)性PP / PP / EVOH / PP / PP膜的光學(xué)透明度的比較；B）反應(yīng)性PP / PP-MA / EVOH / PP-MA / PP膜。

4.凝膠：術(shù)語“凝膠”通常用于表示任何形式的小缺陷，這些小缺陷會在最終薄膜中產(chǎn)生光學(xué)畸變。凝膠是有問題的，因為它們不僅會產(chǎn)生光學(xué)畸變，而且還會降低薄膜的機(jī)械性能。凝膠可分為三大類：未融化的樹脂，降解的材料和外來污染物。

未熔融的樹脂：未熔融的樹脂是一種常見的凝膠類型，通常在高擠出機(jī)生產(chǎn)能力下可以觀察到。它們是由位于擠出機(jī)內(nèi)的低剪切區(qū)引起的不均勻熔化的結(jié)果。要確定凝膠是否為未熔融的樹脂，請將凝膠加熱至高于其熔化溫度，然后使其冷卻下來。如果冷卻后凝膠未再出現(xiàn)，則表明它是未融化的樹脂。如果薄膜中存在未熔融的樹脂，則應(yīng)檢查并重新設(shè)計擠出機(jī)螺桿，以最大程度地減少低剪切區(qū)的存在。

降解的材料：如果聚合物長時間暴露在高能量下，則在擠出過程中會發(fā)生材料降解。這些條件導(dǎo)致形成高度氧化或交聯(lián)的材料，其在膜中以凝膠形式出現(xiàn)。通常，這些凝膠在啟動后不立即存在。隨著時間的推移，它們會出現(xiàn)在薄膜上，因為降解的聚合物會在過程中累積。

高度氧化的凝膠表現(xiàn)為易碎的黑色斑點，可以通過在紫外線下的熒光來識別。圖5示出了在偏振光下獲得的高度氧化的凝膠的圖像，以及在UV光下獲得的凝膠熒光的圖像。交聯(lián)凝膠具有深棕色外觀，由氧化物質(zhì)組成，但是氧化程度太低，無法在紫外線下引起熒光。

圖5 在A）偏振光和B）UV光下多層膜中的高度氧化的凝膠的圖像。

交聯(lián)凝膠有時會誤認(rèn)為是高度纏結(jié)的樹脂。為了區(qū)分兩者，將凝膠加熱到高于其熔化溫度，在其上施加應(yīng)力使其破裂，然后使其冷卻。如果凝膠形狀在冷卻后重新出現(xiàn)，則表明該材料是交聯(lián)的并且沒有高度纏結(jié)。為了確定降解材料的來源，應(yīng)在操作后不進(jìn)行吹掃的情況下卸下擠出機(jī)螺桿。一旦確定了降解的根源，就可以在該區(qū)域優(yōu)化螺桿設(shè)計，以最大程度地減少停滯和低剪切力。

外來污染物：有時，外來污染物可能會進(jìn)入過程。外來污染物通常與主要原料一起通過料斗進(jìn)入擠出機(jī)，其范圍可以從衣物纖維到外來聚合物樹脂。如果發(fā)現(xiàn)凝膠的熔融溫度與原料樹脂的熔融溫度明顯不同，或者其形狀非常不規(guī)則（例如原纖維），則很可能是外來污染物。為避免這些凝膠，應(yīng)始終正確清潔料斗，并應(yīng)密封原始原料容器，以防止混入任何異物。

5.膜卷曲：膜卷曲是在多層結(jié)構(gòu)中觀察到的缺陷，該多層結(jié)構(gòu)由具有不同結(jié)晶度的材料組成。該缺陷在熔融膜的冷卻過程中形成，并導(dǎo)致膜自身卷起。膜卷曲與兩個問題有關(guān)：材料性能的差異（即熔點，結(jié)晶度）和層排列不當(dāng)。

膜卷曲的常見示例如圖6所示，該圖顯示了由聚乙烯（PE），尼龍（PA）和粘結(jié)層組成的三層膜。當(dāng)多層薄膜離開模具時，所有層都熔化，薄膜開始冷卻。隨著其冷卻，尼龍層結(jié)晶并變得堅硬，而PE層仍在熔融狀態(tài)而收縮。一旦溫度降至PE的熔融溫度以下，它也會開始變得堅硬。但是，此時尼龍已經(jīng)結(jié)晶并且不能進(jìn)一步收縮，從而導(dǎo)致PE在固化過程中從其卷曲。

圖6 由PE，PA和粘結(jié)層組成的三層吹膜共擠生產(chǎn)線的膜卷曲實例。

防止膜卷曲的一種方法是迅速冷卻膜以防止結(jié)晶。與使用空氣冷卻薄膜相反，可以將薄膜直接擠出到水浴中以進(jìn)行快速冷卻。這允許具有不同結(jié)晶速率的材料被共擠出而膜沒有任何卷曲。另一種可能的解決方案是優(yōu)化多層膜的結(jié)構(gòu)。

例如，將可能卷曲的PE / tie / PA膜的結(jié)構(gòu)修改為PE / tie / PA / tie / PE / tie / PA。新膜中的附加層增加了膜的整體質(zhì)量，這將減輕膜所經(jīng)歷的卷曲程度。