一、实验目的
1. 了解挤出机、吹膜机头及辅机的结构和工作原理，；
2. 掌握挤出吹塑薄膜工艺操作过程、工艺参数调节及薄膜成型的影响因素分析；
3. 掌握挤出吹塑LDPE薄膜的热合工艺控制。
二、实验原理
1. 挤出吹塑成型工艺
塑料薄膜是一类重要的高分子材料制品。由于它具有质轻、强度高、平整、光洁和透明等优点，同时其加工容易、价格低廉，因而得到广泛的应用。塑料薄膜可以用挤出吹塑、压延、流延、拉幅和使用狭缝机头直接挤出等方法成型。各种方法的特点不同，适应性也不同。其中，压延法主要用于非晶型高分子材料的加工，所需设备复杂，投资大，但生产效率高，产量大，薄膜的均匀性好。流诞法的主要原料也大多是非结晶型高分子材料，流延
法工艺简单，薄膜透明度好，各向同性，性能均一，但强度较低，且需耗费大量溶剂，成本增加，对环保也不利。拉幅法主要适用于结晶型高分子材料，其生产工艺简单，薄膜质量均匀，物理机械性能好，但设备投资较大。
而挤出吹塑法适用于结晶和非晶型高分子材料，工艺设备简单，且最为经济，既能生产幅宽较窄的薄膜，又能生产宽达几十米的薄膜，吹塑过程薄膜纵横向都得到拉伸取向，制品质量较高，因此是目前应用最广泛的方法。
用于吹塑薄膜的原料主要有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚偏二氯乙烯（PDVC）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、尼龙（PA）、乙烯一乙酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇（PVA）等品种。目前国内外以前两种居多，但后几种高分子薄膜的强度或透明度较好，已得到了很大发展。另外，薄膜厚度一般在0.01mm～0.3mm范围内，如PE薄膜的厚度一般在0.008mm～0.150mm之间；展开宽度从几十毫米到几十米。
挤出吹塑成型是在挤出工艺的基础上发展起来的一种热塑性塑料的成型方法。挤出吹塑的实质就是在挤出的型坯内通过压缩空气吹胀后成型的，包括吹塑薄膜成型和中空吹塑成型。在吹塑薄膜成型中，根据挤出和牵引方向的不同，可以分为平挤上吹、平挤平吹和平 挤下吹等三种工艺，如图1所示。三种工艺的优缺点对比见表1。
三种工艺成型薄膜的原理是相同的，即：将塑料加入挤出机料筒内，借助料筒外部的加热和料简内螺杆旋转的剪切挤压作用，使固体物料熔融成流动状态的熔体；同时在压力的推动下，塑料熔体逐渐被压实前移，通过环隙口模挤成截面恒定的连续薄壁管状物；再经芯棒中心引进的压缩空气吹胀，加热鞋垫
被吹胀的泡管在冷却风环、牵引装置的作用下，逐渐地引伸定型；最后导至卷取装置，迭卷成双折的塑料薄膜。 其工艺流程为：
目前工业上常用的是平挤上吹法，而基于综合考虑，本实验采用平挤平吹法成型低密度聚乙烯（LDPE）薄膜。
图1 挤出吹塑薄膜的制备工艺（a—平挤平吹法；b—平挤上吹法；c—平挤下吹法）
表1 挤出吹塑薄膜生产方法及特点
led视频处理器工艺方法 | 优点 | 缺点轮椅电机 |
平挤平吹 | 结构简单，薄膜厚度较均匀； 操作方便，引膜容易； 吹胀比可以较大。 | 不适宜加工相对密度大，折径大的薄膜； 占地面积大； 泡管冷却较慢，不适宜加工流动性大的塑料。密目网 |
平挤上吹 | 泡管形状稳定，牵引稳定； 占地面积小，操作方便； 易生产折径大，厚度大的薄膜。 | 要求厂房较高； 不适宜加工流动性大的塑料； 不利于薄膜冷却，生产效率低。 |
平挤下吹 | 有利于薄膜冷却，生产效率高； 能加工流动性较大的塑料。 | 挤出机在操作台上，操作不便； 不适宜生产较薄的薄膜。 |
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2. 原料的确定
挤出吹塑薄膜的原料需用吹膜级树脂及适量的爽滑剂，以保证薄膜的力学性能及开口性；树脂粒子的选择应依据熔融指数（MI）和相对分子量分布进行选择；一般选择熔融指数较小，且相对分子量分布较宽的的树脂[1]。对于聚乙烯，通常选择熔融指数为2～6g/10min范围之间的树脂牌号。
3. 挤出机的选择
吹塑薄膜的主要设备为单螺杆挤出机，挤出机的挤出量应与薄膜的厚度和折径相适应。长径比一般在25以上。有时为了增加混炼效果，螺杆头部需增加混炼装置。
4. 管坯挤出
挤出机各段温度的控制是管坯挤出最重要的因素。通常，沿机筒到机头口模方向，塑料的温度是逐步升高的，且要达到稳定的控制。本实验是对LDPE进行吹塑，原则上机筒温度依此应为140ºC、160ºC、180 ºC递增，机头口模处稍低些。挤出温度设置较高时，高分子熔体温度升高，粘度降低，机头压力减少，挤出流量增大，有利于提高产量。但挤出温度
设置过高时，剪切作用过大，易使高分子材料分解，薄膜发脆，尤其使薄膜纵向拉伸强度明显下降；而挤出温度设置过低时，则树脂塑化不良，不能顺利地进行膨胀拉伸，薄膜的拉伸强度较低，且表面的光泽性和透明度差，甚至出现像木材年轮样的花纹以及未熔化的晶核。
通常在满足薄膜性能要求的前提下，熔体挤出温度应控制稍低一些。
5. 吹胀与牵引
薄膜挤出吹胀及冷却过程与膜管的牵引是同时进行的。压缩空气从机头处的通入气道进入，将管坯吹胀成膜泡后，经人字板进入牵引装置。调节压缩空气的通入量可以控制膜管的膨胀程度。衡量管坯被吹胀的程度通常用吹胀比（α）来表示，它是吹塑薄膜生产工艺的控制要点之一。吹胀比是指管坯吹胀后的膜管的直径D2与挤出机环形口模直径D1的比值，即：
(1-1)
吹胀比的大小表示挤出过程管坯直径的变化，即薄膜的横向膨胀倍数，也表明粘流态下大
分子受到横向拉伸作用力的大小。吹胀比增大，薄膜的横向强度提高，常用吹胀比在2～6之间[2]。
膜管在牵引过程中受到在牵引方向上拉伸作用的程度通常以牵引比（β）来表示，牵引比是指膜管通过夹辊时的速度V2与口模挤出管坯的速度V1之比，即：
(1-2)
牵引比是薄膜纵向拉伸倍数，牵引比增加，薄膜纵向强度会随之提高，且薄膜的厚度变薄，牵引比通常控制在4～6之间[3]。
在挤出吹塑薄膜过程中，由于挤出管坯同时受到吹胀作用和牵引作用，而使大分子在纵横两个方向均发生取向，并从而获得一定的机械强度。为了得到纵横向强度均等的薄膜，其吹胀比和牵引比最好是相等的。不过在实际生产中往往都是用同一环形间隙口模，靠调节不同的牵引速度来控制薄膜的厚度，故吹塑薄膜纵横向机械强度并不相同，一般都是纵向强度稍大于横向强度。
吹塑薄膜的厚度δ与吹胀比和牵伸比的关系可用式（1-3）表示。
(1-3)
式中，b—机头口模环形缝隙的宽度，mm
δ—薄膜厚度，mm
6. 薄膜的冷却
管坯挤出吹胀成膜管后还需经过不断冷却固化定型为薄膜制品。冷却装置应满足生产能力高、制品质量好、生产过程稳定等要求，冷却装置还可以对薄膜的厚度不均匀性进行调整。
常用冷却装置主要有风环装置、内外双面风冷系统和水环冷却装置。风环装置是目前吹塑薄膜成型应用最广的方法，它利用冷却空气通过风环间隙向泡管四周直接吹气而进行热交换，对薄膜起着冷却定型作用。操作上可利用调节风环中风量的大小、移动风环来控制“冷凝线”远近(即泡颈长短)，冷却风环与口模距离一般控制在30～100mm。这些操作对稳定泡管、控制薄膜的质量有直接关系，尤其是对聚烯烃等结晶型塑料，当“冷凝线”离口模很近
时，熔体快速冷却定型，使薄膜表观质量不佳；离“冷凝线”越远，熔体粗糙度降低，浑浊度下降；但若“冷凝线”控制太远，薄膜结晶度增大不仅透明度降低且影响薄膜横向上的撕裂强度。近年来所提倡的双风口负压风环，芯棒内冷等技术是强化冷却的有效措施。
7. 薄膜的卷取
膜管经冷却定型后，先经人字导向板夹平，再通过牵引夹辊、展平辊，最后由卷绕辊卷绕成薄膜制品；人字板的作用是稳定已冷却的膜管，不让膜管晃动，并将它压平。牵引夹辊是由一个橡胶辊和一个金属辊组成，其作用是牵引和拉伸薄膜。牵引辊到口模的距离对成型过程和管膜性能有一定影响，它决定了膜管在压叠成双折前的冷却时间，这一时间与塑料的热性能有关。薄膜卷取时要求卷取平整、两端边整齐。
卷取装置有表面卷取和中心卷取两种形式。表面卷取装置的卷取速度与卷绕直径无关，因而能与牵引速度保持同步；同时，表面卷取装置的结构简单，卷取轴不易弯曲，它的缺点是易损伤薄膜。中心卷取是把薄膜直接卷绕在转动卷辊的卷心上。为了薄膜收卷时有恒定的线速度，保证薄膜在收卷时受到恒定的张力，常用的方法是用力矩电机。
除以上工艺设备因素外，要制得性能良好的薄膜，机头、口模的结构设计当然是极其重要的，流道必须通畅，尺寸要精确，不能发生“偏中”现象。
三、实验设备及原材料
实验设备及原材料列于表2中。
表2 实验设备及原材料
设备/原材料 | 数量/规格 |
单螺杆挤出机 | 1台 |
吹膜机头、口模 | 1套 |
空气压缩机 | 1台 |
冷却风环 | 1套 |
吹膜辅机 | 1套 |
电子天平 | 感量0.01g |
铜刀 | 1套 |
剪刀 | 1把 |
测厚量具 | 1套 |
手套 | 数双 |
热合机 | 1台 |
低密度聚乙烯 | 若干 |
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四、实验步骤
1. 了解原料特性，设定挤出机各段、机头和口模的温度，同时拟定螺杆转速、空气压力、风环位置、牵引速度等工艺条件。
2. 按照挤出机的操作规程，接通电源，设定挤出机、机头各部位加热温度，开始加热，同时开启料斗底部夹套冷却水管，检查机器各部分的运转、加热、冷却、通气是否正常。待各段预热达到要求的温度时，立即将口模环形缝隙调至基本均匀，同时，应对机头部分的衔接、螺栓等再次检查并趁热拧紧。保温一段时间以待加料。
3. 恒温30min后，启动主机，在慢速运转下先加入少量LDPE，注意电流计，压力表，扭矩值以及出料情况。待挤出的泡管壁厚基本均匀时，戴上手套用手将管状物慢慢引向开动的冷却、牵引装置，随即通入压缩空气[4]。观察泡管的外观质量，结合实验情况即时协调工艺、设备因素(如物料温度、螺杆转速、口模同心度、空气压力、风环位置、牵引卷取速度等)，使整个操作控制处于正常状态。
4. 当泡管形状稳定、薄膜折经已达要求时，切忌任意变化操作控制。在无破裂泄漏的情
况下，不再通入压缩空气，此后，管内储存气体足以维持泡管尺寸的稳定[5]。
5. 切取一段外观质量良好的薄膜，并记下此时的工艺条件；称得单位时间的质量，同时测其折径和厚度公差。
6. 改变工艺条件(如提高料温，增大或降低螺杆转速、调整风量大小、加大压缩空气压力或流量、提高牵引卷取速度等)，重复上述操作过程3~5，分别观察和记录泡管外观质量变化情况。
7. 实验完毕，逐渐减低螺杆转速，并将挤出机内残存的剩余塑料尽量挤完后停车。趁热用铜刀等实验用具清除机头和衬套中的残留塑料[6]。
8. 将切取的薄膜使用热合机进行封底处理。
五、实验纪录及数据处理
1. 实验纪录
标志107试验前及实验过程中把设备的基本情况及操作工艺条件按下列表格形式做好记录：
表3 设备基本情况
挤出机 规格型号 | 螺杆 长径比 | 机头连接形式 流化床 | 吹膜机头 | 空气压缩机规格 | 冷却风环内径 | 卷取装置规格 |
口模内径 | 芯棒外径 |
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表4 挤出操作工艺条件
