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EVOH高阻隔硬質包裝復合材料加工工藝與裝備介紹

發(fā)布時間:2021-06-15

EVOH高阻隔硬質包裝復合材料加工工藝與裝備介紹

汕頭市達誠環(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包裝EVOH樹脂的性能特點和應用情況。重點介紹了EVOH復合材料的加工工藝和加工設備,以及EVOH多層共擠片材設備智能化改進內容及未來的發(fā)展方向。

關鍵詞:EVOH;高阻隔;復合材料;加工裝備;智能制造。

 

引言

塑料包裝片材常用于生產一次性塑料杯、盤、碗、碟、盒等熱成型制品,廣泛應用于食品、疏菜、水果、飲料、乳品、工業(yè)零件等領域的包裝。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,需要生產多層復合片材,不同塑料原料的各種性能體現在制品上,集中體現多種樹脂的優(yōu)點,使制品的性能進一步滿足各種包裝物使用要求。

 

一、EVOH包裝應用市場狀況

在冷鏈食品包裝領域,以往人們選用金屬或玻璃材料作為食品包裝,從而有效隔離內外各種氣體成分的滲透,以保證內容物的質量和商品價值。因為引起食品變質有以下三大因素:生物因素(生物酶反應等)、化學因素(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。防止食品的變質,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生毒素等有害物質,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從而延長保質期。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,其應用領域越來越廣,需求量也迅速增長,前途廣大,越來越受到產業(yè)界的關注。

 

二、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]

    圖片1.png圖片2.png

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構,具有良好阻濕性能的聚烯烴(PE或PP)用于兩側。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用廣泛,而且對于牛奶、果汁飲料、調味品、啤酒、葡萄酒、礦泉水等水性食品也得到廣泛應用。另外,除氧氣外,對二氧化碳氣、氮氣、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復合的應用情況

EVOH用作高阻隔材料時通常采取多層復合結構,常用復合材料有:PP、HIPS、PE、EVOH、AD,結構中AD為粘合劑。多層復合結構可以充分發(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。以前大部分是應用于軟包裝,但復合樹脂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域的應用。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,適宜應用于硬質包裝材料。因而大力發(fā)展適用于硬包裝EVOH高阻隔復合材料尤為迫切。

 

三、硬包裝EVOH加工裝備與加工工藝

1、加工設備

高阻隔多層共擠復合材料具有多層結構,因此需專用的多層共擠擠出設備成型,根據各層的材料特性選擇合適的擠出類型。如汕頭市達誠環(huán)保精機科技有限公司近期設計制造EVOH多層共擠片材擠出設備,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,最大擠出產量800-1000KG/H,寬度800MM,其中:120螺桿適應于主料二次PP料,105螺桿適應于新料PP料,75螺桿用于包邊料PP料,兩條65螺桿適應于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。

 

設備通常基本流程工藝示意圖如下:

原料系統:原料配方比例及輸送,破碎料回收裝置;

擠出系統:各擠出機、過濾、計量、共擠分配至模頭出片;

三輥壓光系統: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:動力牽引裝置;

收卷系統:片材成卷收卷;

水循環(huán)系統:輥筒水溫控制;

電氣控制系統:整套設備電氣控制。

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WJPG120/105/75/65/65-1200型EVOH高阻隔片材機

 

此設備生產的EVOH高阻隔片材,經國家包裝產品質量監(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.

4.png 

2、加工工藝

設備主要工藝路線: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,經過液壓快速換網器,抵達分配器兩邊,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,經換網器直接進入模具會合,生產兩邊包邊片材,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,再經冷卻后通過自動測厚儀測量厚薄均勻度調節(jié),切邊,片材經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,也可以把邊料由廢邊收卷裝置收繞成捆。

3、關鍵技術點

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、壓延生產復合片材時EVOH層分布的均勻性等都是影響復合材料性能和使用的關鍵問題,也是生產該類型復合材料時需要解決的難題。

多層共擠技術關鍵是粘合劑(AD),EVOH的復合包裝材料通常有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)。也可采用非對稱結構,增加其它材料(PE/HIPS等)擠出機,進行共擠,其原理相同,達到同樣多層共擠方式。

 

多層阻隔包裝結構示意圖[4]

  5.png

用于硬包裝,PP也有改用耐沖擊性聚苯乙烯(HIPS)作為復合層。如下圖結構[3]:

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EVOH多層共擠復合材料加工工藝圖2

圖2為EVOH多層共擠復合材料加工工藝圖,如圖所示,復合材料由里到外分為5層結構。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合于EVOH兩面;復合材料兩外表面為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合在材料的上下兩表層。利用復合結構,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。

多層共擠技術關鍵部件是分配器,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結構層,分配器關鍵是流道設計, 使PP層均勻地分為一、五層, AD層分為二、四層, EVOH層為中間層。分配器流道設計有調節(jié)葉片, 用來調節(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合材料,加工過程中有如下關鍵問題需要注意:

(1)部件結構調整:為加強基材的阻濕性和提高EVOH的阻氧性,復合材料設計為不對稱結構。不對稱結構可以通過調整分層器中間層或外層來實現,若對分層器中間層作不對稱調整,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構,導致薄側粘結層樹脂量減少從而使得粘結強度下降,造成分層現象。因此只能對外層調節(jié)器進行調整,實際生產可根據產品厚度進行選擇性調整,但必須保證薄層在二次成型時拉伸不斷裂。
(2)工藝溫度調整:由于EVOH樹脂與PP樹脂及粘結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,故復合材料兩邊的EVOH層會相應減少,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,嚴重時會造成EVOH層斷層導致阻隔性能喪失。因此在生產時模具兩端的溫度要調高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,轉速不可過快。
(4)停機處理方式:由于EVOH樹脂容易產生凝膠現象,且與其它樹脂的相容性較差,因而在生產前、后對螺桿和料筒要進行清洗,清洗最好使用熔融指數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才可正式生產或停機。

(5)廢邊加收形式:不同材質的多層結構在兩側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,這樣導致修整后的余料不好回收利用。為了達到包邊的余料的回收,通過增加包邊擠出機,模具結構調整,使兩側有包邊流體通道,包邊流體通道內的流體與復合層的在出口處匯集成制品,包邊流體通道內的流體包裹在制品的兩側邊緣,修整邊緣時那么修整下來的余料都為流體同一材質,利于回收。

 

四、EVOH多層共擠片材設備智能化改進內容

以新一代信息通信技術與制造業(yè)融合發(fā)展為主要特征的產業(yè)變革在全球范圍內孕育興起,智能制造已成為制造業(yè)發(fā)展的主要方向。互聯網+工業(yè)化的推廣應用,促進產品的升級換代,產品生產從原料改性、工藝優(yōu)化、設備精密制造,操作模式等智能應用,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),使得設備操作更加便捷,提高產品品質和附加值。能夠實現設備健康狀態(tài)自動檢測;能夠根據制品及原料要求自動管理各種工藝參數,實現動態(tài)設置和存儲;能夠監(jiān)控生產運行狀態(tài)并自動調整;能夠智能優(yōu)化處理各種運行參數。智能化單元內置了人工智能算法,具備工藝參數學習能力,能夠通過有限試驗樣本訓練,找到適合特定產品的設備最優(yōu)工藝參數,各功能裝置協同配合,確保產品的質量,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備智能化改進內容:

1、 各擠出機的原料供給系統可選配自動配料系統,按各組合配比要求自動計量,適應于新料、回料、色母等比例的控制,與主擠聯動配合,提高配料準確性及大大降低勞動強度,能在料位降低情況下提前預警并反饋補償措施;

2、 優(yōu)化設計高效擠出螺桿,采用計算機仿真設計與實驗數據相結合,通過不同原料組合及工藝參數,達到制品塑化好,能耗低、產量高的高效螺桿; 

3、 選配高性能減速箱,確保高扭矩,高轉速、能耗低,噪音??;

4、 擠出機配套計量泵定量穩(wěn)壓輸送,一般在過濾網前及計量泵前后配備壓力傳感器,壓力與轉速閉環(huán)控制,第一級是網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,驅動電機,設置有預警、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節(jié)技術,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,特別生產顏色料片材;

8、 可選配全自動調節(jié)模頭,配套測厚儀,實現厚度自動反饋控制,實現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,結構緊湊,生產片材厚薄在線自動調節(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構;

11、 輥筒水溫控制系統采用伺服比例閥自動水溫調節(jié),加熱冷卻溫度雙PID控制技術等;

12、 配套在線切邊、破碎、輸送回收系統,實現廢料自動回收,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、 收卷結構設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,可選在線涂布復合系統,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明顯油斑,雙面貼膜可按不同功能要求采用熱復膜或冷復膜,熱復時注意膜材的耐溫性,選擇合適復合溫度,如直接進入熔融片材復合或經定輥合適冷卻位置進入復合,確保復合平整;

16、 配套雙面表面瑕疵檢測系統,在線檢測產品表面質量(如晶點、黑點或缺陷);

17、 整機采用PLC控制,數據化信息采集系統,實現參數設置、數據運算及反饋、報警等功能的自動化控制;

18、 先進雙PID控制算法技術,對技術數據的實時統計分析,實時提供改進措施,確保生產過程始終處于統計控制狀態(tài),以提高制品的質量、精度、能耗等性能指標。

19、 遠程控制技術,通過服務器中心工業(yè)數據中心和工業(yè)數據采集與分析軟件、遠程監(jiān)控網絡設備、標準電機健康檢測分析系統、設備能源管理優(yōu)化系統等,對在客戶工廠的供應商設備實現遠程監(jiān)控和對各種工藝數據采集和存儲,并進行工藝數據分析,優(yōu)化生產工藝配方。

 

五、智能片材設備市場未來發(fā)展方向

國內需求的日益增長,復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,國內勞動力成本的不斷增加,人們對設備的產量、能耗、環(huán)保和自動化提出了更高的要求,國內少家片材高端設備制造廠家,依據可持續(xù)綠色發(fā)展需要,集中優(yōu)勢資源,與國內外多家先進的原料供應商、研究院與產品生產商等共同研發(fā),充分運用現代高精尖設備,提高裝備零部件加工精度,設計優(yōu)化各類零件結構,優(yōu)化加工工藝,提升設備整體性能。

當前,移動互聯網、大數據、云計算、物聯網、第五代移動通信(5G)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術不斷取得突破,特別是新一代人工智能(AI)技術與先進制造技術深度融合所形成的新一代智能制造技術,已成為新一輪工業(yè)革命的核心驅動力[5]。;其次,食品、飲料以及新能源等工業(yè)領域對高性能包裝行業(yè)需求持續(xù)高漲,推動多層共擠技術不斷推陳出新;第三、擠出設備的各種配套零部件加工領域的開發(fā)力度,新技術應用與拓展步伐加快,推動整體裝備技術水平的迅速提高,擠出設備市場需求正凸現顯著特點:節(jié)能高效,數據化、自動化、智能化擠出片材機是成為技術創(chuàng)新的方向,智能化引領產品的發(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、智能高品質多層共擠片材擠出裝備,朝著數字化、自動化、智能化挺進,同時滿足產品綠色包裝,技術創(chuàng)新,可持續(xù)發(fā)展方向,不斷拓展設備應用市場,增加產品附加值,以綜合的性價比優(yōu)勢和過硬的質量保障,為中國智造助力升威。

 

 

參考文獻:

[1] 周斌,高阻隔性EVOH樹脂及其在食品包裝上的應用,塑料包裝,2012年,22卷,3期

[2]宋毅,李建華,韓曉潔,張強.EVOH五層共擠復合膜專用機組的研制,塑料包裝,2005年,15卷,2期

[3]羅戰(zhàn)平,魏龍慶HIPS/EVOH高阻隔復合材料的加工工藝,塑料包裝,2011年,5期

[4] 宋淵,高阻隔性樹脂EVOH在肉類包裝中的應用,肉類工業(yè)2008年第12期,總第332期

[5]袁晴棠,殷瑞鈺,曹湘洪,劉佩成,面向2035 的流程制造業(yè)智能化目標、特征和路徑戰(zhàn)略研究 ,中國工程科學 2020 年 第22 卷 第3 期


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