挤出吹塑薄膜流道线产生的原因及解决方案李浩【期刊名称】《《中国塑料》》【年(卷),期】2019(033)011【总页数】4页(P60-63)【关键词】流道线; 熔接痕; 孔痕; 瘉合; 螺旋流道; 瘠合时间【作者】李浩【作者单位】广东金明精机股份有限公司广东汕头515098【正文语种】中文【中图分类】TQ320.660 前言随着塑料吹塑薄膜在农业、工业、医疗卫生、军工产品等领域的广泛应用，市场对塑料薄膜的性能和品质的要求越来越高。
为了适应市场的需求，原料生产厂家不断推出不同性能的塑料原料，促使薄膜生产厂家不断推出新配方、新工艺，同时在确保其制品在满足使用性能等要求的条件下尽量降低生产成本；而吹塑装备生产厂家则对技术不断进行优化、提升，以获得更好的制品性能、品质和更高的产量。
在“塑料生产、装备制造、制品加工”这一产业链的技术改造升级过程中若协调不好可能会出现意想不到的各种问题，尤其是塑料挤出螺旋机头在加工某些聚烯烃原料或液晶聚合物(LCP)时，所出现的流道线会在一定程度上影响制品的性能和品质，使设备制造厂和薄膜生产厂要投入大量的人力和经费来研究和解决问题。
例如，工业包装用保护膜表面如果存在流道线，薄膜上流道线的透明度和其他部位的透明度不一致，会影响到液晶面板等被保护电子产品的视觉效果；流道线问题还会导致挤出吹塑机械在更换不同颜色的色母时的换色时间过长，或导致更换流动性能差异较大原料的换料时间过长、原料消耗过多等问题的出现。
本文对螺旋机头产生流道线的原因及解决方法进行论述，以供从事相关工作的人员参考、借鉴。
1 挤出薄膜制品中的线痕、流道线和熔接痕在吹膜挤出中，薄膜中的线痕数量往往与模口中孔的数量有关，因此，这样的线痕常常被称为孔线[1]。
这些孔线明显与机头设计有关，但它们往往也非常依赖于聚合物的熔体流动特性。
高分子聚合物有很长的弛豫时间，更容易表现出孔线或其他类型的模口线痕。
当聚合物熔体在机头中或者甚至在模口前分离和重新熔合时，则会形成熔接痕。
熔接痕也被称为汇合痕。
孔线就是挤出吹塑薄膜生产过程所讲的流道线，流道线的表述比孔线更加准确，这是因为随着多层共挤工艺技术的发展以及多层共挤螺旋机头的不断创新，如图1(a)和图1(c)所示结构的螺旋机头设置有流道孔，而图1(b)所示结构的螺旋机头靠表面流道沟槽来分流熔融的塑料就不需流道孔了，但螺旋流道依然是螺旋机头不可缺少的重要组成部分。
多层共挤螺旋机头的内流道基本可以分为6段，分别是主流道、分配流道(或称分配系统)、螺旋流道、松弛段、汇流复合段和模口段。
流道线产生的位置通常位于分配流道和螺旋流道的连接处，通常由于流道线的数量和螺旋流道的数量一致，而螺旋流道沿圆周均布，以致出现在吹塑薄膜制品上的流道线的间隔也是相等的，如图2所示。
在某些情况下，虽然设计者已经对机头做出了消除流道线的设计，但流道加工的尺寸和表面粗糙度不一致，会直接影响到膜面上流道线的粗细，当出现部分流道线细小到肉眼不能看到时，有时会觉得膜面上流道线和螺旋流道的数量不一致，此时可能会导致薄膜生产的工艺人员对线痕产生的原因产生困惑，这些线痕究竟是不是流道线？可用什么方法进行消除或者改善？(a)中心分配单层螺旋机头 (b)表面分配机头螺旋体 (c)单层螺旋机头的螺旋体图1 螺旋机头Fig.1 Spiral die图2 流道线在膜面上分布Fig.2 Flow line on film surface划痕，是线痕的一种。
通常指熔体流经机头内部或模口处，在某处受到尖锐物的阻流分割从而使熔体重新熔接包合，由于熔合不充分挤出模口经冷却定型后在薄膜表面上形成的线痕，它也是一种熔接痕。
当划痕情况严重且薄膜受到外力的作用时，容易引起薄膜被撕裂。
现阶段的机头流道按流线型、无死角、表面光滑的设计，划痕能得到有效的控制，而通常划痕是因机头内部或模口处粘附了诸如凝胶、焦料、模口滴料等异物所导致的，划痕处薄膜的厚度较薄，这类问题只要对机头拆卸清洁就能有效解决。
流道线，是线痕的一种，是熔体一种特殊的熔接痕。
熔体在螺旋机头中沿螺旋槽作螺旋流动，同时在一个具有特定的间隙(即漏流间隙)的空心环形内腔作轴向流动，随着螺槽的变浅和环形间隙的增大，熔体的流动由主要的螺旋方向过渡到沿环形内腔作轴向流动。
螺旋机头的螺旋流道按一定的螺距均布排列，熔体在螺槽与环形间隙之间交联流动，最终达到均化和轴向等速流动的目的。
可见螺旋机头比其他结构机头能更有效地消除熔接痕。
但若将熔体流动分布在圆周方向按流道分布数量n 进行分割，通过专业的模拟仿真软件分析发现360 °/n夹角的范围内熔体的流速和流量的分布存在波峰和波谷的波浪形变化。
图3为solidworks simiuliation模拟软件对具有4个均布螺旋流道尾部的流速进行仿真的分布曲线图，同时通过拆卸机头检查附着在螺旋流道出口表面熔体流动的流痕与仿真图形一致，由此证明流道线的数量和螺旋流道的数量是一致的。
图3 螺旋流道尾部流速分布仿真曲线Fig.3 Simulation curve of MFR distributionthe end of spiral channel(a)白色 (b)透明图4 流道线Fig.4 Flow line流道线是一种独特的熔接痕，这是基于熔体沿径向和轴向复合流动的熔合结果。
在径向，熔体沿螺旋流道起始处的环形间隙靠外壁的位置先流出，先流出的熔体要和相邻的前一螺旋流道末端慢流出的熔体在径向进行熔接，从而产生熔接痕。
在轴向，螺旋流道出口处的流速有快慢，慢的区域出现熔体滞留，尤其更换了不同颜色的色母时更易观察到，流速相差过大也会产生熔接痕。
因此，螺旋机头的流道线通常有2种，一种是径向的熔合线，这种熔合线由于吹塑的连续挤出，表现为膜泡运动方向的线痕；另一种是轴向的熔接痕，同样表现为膜泡运动方向的线痕。
在机头工艺温度设定正常的情况下，2种流道线明显的区别在于前者在膜泡上以白线条出现[图4(a)]，后者在膜泡上以透明的亮线出现[图4(b)]，若机头设计和加工材料、工艺温度的设定偏差较大时，这2种线条可能会同时出现。
为什么流道线有白线条和亮线条2种，这是因为聚合物的熔体在高压力作用下沿流道流动，分配流道在同一截面中心部的熔体温度高、黏度小、流速快；靠近流道壁的熔体受金属壁阻力的作用而温度低、黏度大、流速慢；而靠近流道壁的熔体在进入螺旋流道的起始部位上(位置最靠外)，熔体从环形间隙最先流出，因没有被有效熔合，直至挤出模口时，此处熔体与其他位置相比，其黏度仍然较高、温度较低，因此显现出白线条。
亮线条是由于该位置的螺旋流道出口处对应分配流道芯部的熔体分配位置，其熔体温度高、流速快、出料快，与其他部位流速慢的熔体未能有效熔合，在模口相对应的位置上熔体的挤出料量大、冷却慢，因而在模口出口显现了亮线条，同时因吹胀比大，膜泡冷却后此部位的薄膜反而变薄。
2 消除或减弱流道线的工艺解决方案由于流道线是一种特殊的熔接痕，可参照熔接痕的解决办法从工艺调节进行解决，必须给聚合物以足够的沿汇合线的“瘉合”机会。
“瘉合”过程实质上是聚合物分子的再缠绕[2]。
在这个过程中重要的参数为时间、温度和压力。
“瘉合时间”(亦称弛豫时间)随温度升高而减少，但随相对分子质量而增加。
决定熔接痕问题的严重程度的因素有：(1)从熔体流线重新接合到模口出口的时间/长度，即驻留时间；(2)聚合物熔体的恢复时间。
如果停留时间大于恢复时间，熔接痕将在机头内消失，不会在薄膜上出现。
如果停留时间小于恢复时间，熔接痕不会在机头内消失。
常见的工艺现象是机器暂时停机30 min后再开机，发现流道线短暂消失然后又重新出现，就是因为驻留时间不同造成的。
通过增加聚合物在机头内的停留时间或减少聚合物熔体的恢复时间，可以减轻或消除流道线。
因此工艺人员可以通过降低挤出机的转速、改变配方或调整工艺温度来消除和弱化流道线。
例如，工艺人员发现低密度聚乙烯和高密度聚乙烯由于黏度低、流动性好容易产生流道线，混入一定比例的线性低密度聚乙烯或茂金属线性低密度聚乙烯可有效消除流道线；工艺人员还发现白色流道线和透明流道线可通过降低机头温度来减轻。
但工艺解决方案通常对于透明流道线比较有效，对于白色流道线有一定的难度和局限性，尤其是生产某种产品必须用某种容易产生流道线的材料时，如何从根本上解决流道线的问题，还需从最初的机头设计入手。
多层共挤机头的设计自从有了三维制图和模拟仿真软件的辅助，机头的设计趋于紧凑、低型体。
设计者想方设法减小机头的高度和直径，减少流道和熔体的接触面积，达到缩短熔体在机头内的驻留时间、降低机头的压力损失、缩短机头的换料换色时间，提高产量、降低成本的目的。
而熔接痕的解决方法之一是要增加熔体在机头内的停留时间，与多层共挤机头技术的发展方向相违背，所以好的解决方案是从设计入手，让熔接痕变得很浅，这样所需的熔合时间就会缩短，机头同样可向紧凑型的方向发展。
3 消除或减弱流道线的机头流道设计方案机头设计应遵循流变学的理论，而不同的材料其流变特性差别很大，熔体流动速率实质上是原料公司用来表征一族树脂里的聚合物特征的一个单点黏度。
大多数树脂是根据熔体流动速率(MFR)做交易的[3]。
聚烯烃的品种很多，吹膜工艺所用树脂的MFR值在0.1～20 g/10 min之间，因此机头设计应针对多种材料进行仿真模拟分析，以找到最佳的设计数据。
上述的白色的流道线是径向的熔合线，主要原因是螺旋起始漏流过早、过多或回流所致，熔体无法在短时间内“瘉合”。
图5由VELTM Spiral Die 模块模拟预测的螺旋芯体分配系统中的4个周期块的路径线，这种路径线在虚线框位置就会产生白色的流道线。
因此，机头设计应减少起始漏流。
图5 螺旋机头螺旋槽起始区域的漏流量图Fig.5 Over flow chart of the initial part of spiral groove of the spiral die机头设计应注意减少起始漏流并不是仅仅要减小螺旋流道的起始间隙，而是要改变螺旋流道的漏流分布，若单一减小起始漏流间隙，可能流道线消除不了，只是改变了流道线出现的位置；同时过小的漏流间隙也会导致起始漏流处的壁剪切应力很低，这会导致熔体滞流甚至产生降解，在原流道线的位置会不断产生晶点，产生新的问题。
图6是改进设计的螺旋分配系统，让所有的路径线处于同一方向，以减少起始漏流和回流，这种设计能有效地消除或减轻流道线，这样的设计既不用增加螺旋流道的数量，也不用增加螺旋流道的长度，满足紧凑型机头的设计。
白色的流道线可以通过优化螺旋流道的设计来解决，那么如何解决透明的流道线呢？实际上道理是相同的，前面分析过透明的流道线是轴向的熔接痕，透明流道线的区域流速慢，因此螺旋流道设计的分配必须均匀，减少滞留区。
