Was sind die häufigsten Probleme beim Coextrusionsblasfolienprozess?_PTJ Blog

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Was sind die häufigsten Probleme beim Coextrusionsblasfolienprozess?

2021-10-27

Die Blasfolienindustrie hat sich von einer einschichtigen Folienstruktur zu einer mehrschichtigen Folienstruktur für verschiedene Food- und Non-Food-Verpackungsanwendungen entwickelt. Je nach Anforderung des Produkts können verschiedene Materialien in die Folienstruktur integriert werden, um die erforderliche Leistung zu erzielen.

Verfahrenstechniker, die in diesem Bereich tätig sind, müssen über ein grundlegendes Verständnis der Polymerrheologie verfügen, um Geräte richtig zu spezifizieren und Prozessbedingungen auszuwählen. Wenn die Eigenschaften des Polymers nicht vollständig verstanden sind, können während der Verarbeitung unnötige Wechselwirkungen zwischen den Schichten auftreten, die zu Defekten in der Folie führen können.

Rheologie ist das Studium der Materialverformung und des Fließens. Der Grad der Verformung und des Fließens, den das Material erfährt, hängt von seiner Rheologie ab. Bei Polymeren hängen diese Eigenschaften von physikalischen Eigenschaften wie Molekulargewicht (MW), Molekulargewichtsverteilung (MWD), Langkettenverzweigung (LCB) und Schmelztemperatur ab. Bei der Blasfolien-Coextrusion sind die wichtigsten zu berücksichtigenden rheologischen Eigenschaften die Scherviskosität, die viskose Dissipation und die Dehnungsviskosität.

Die Scherviskosität ist ein Maß für den Widerstand eines Materials gegen Scherfluss und wird durch Scherspannung und Schergeschwindigkeit beeinflusst. Die Schubspannung ist definiert als die Kraft pro Flächeneinheit, die auf das Material ausgeübt wird, und die Schergeschwindigkeit ist definiert als die Verformungsgeschwindigkeit des Materials.

Das Polymer ist eine nicht-newtonsche Flüssigkeit, daher bleibt seine Viskosität bei einer Änderung der Scherrate nicht konstant. Im Allgemeinen nimmt die Scherviskosität des Polymers mit zunehmender Schergeschwindigkeit ab. Dieses Verhalten wird als Scherverdünnung bezeichnet. Die Geschwindigkeit der Scherverdünnung eines Polymers bestimmt, wie es verarbeitet wird. Beispielsweise sind hochverzweigte Polymere scherempfindlicher als lineare Polymere, und daher nimmt die Scherviskosität bei höheren Schergeschwindigkeiten schneller ab. Die Verarbeitung von hochviskosen Materialien führt zu einem Anstieg der Schmelzetemperatur, der Druckhöhe und mehr Extrudern, die ein Drehmoment aufbringen.

Wenn ein Polymer geschert wird, beginnen sich die Kettenverflechtungen innerhalb seiner Molekülstruktur aufzulösen. Dieser Abwickelvorgang erzeugt Wärme, und dieses Phänomen wird als viskose Dissipation bezeichnet. Die viskose Dissipation ist sowohl der angewendeten Scherrate als auch der Polymerviskosität proportional, was bedeutet, dass eine Erhöhung der Polymerviskosität und/oder Scherrate zu einer Erhöhung der Schmelztemperatur führt. Dieses Phänomen erzeugt einen Temperaturgradienten zwischen dem Extruderzylinder und der Schmelze. Ohne angemessene Berücksichtigung kann eine Erhöhung der Schmelztemperatur dazu führen, dass das Polymer überhitzt und abgebaut wird.

Die Dehnungsviskosität wird als Dehnungswiderstand des Materials definiert. Ähnlich der Scherviskosität hängt die Dehnungsviskosität eines Polymers von seiner Molekülstruktur ab. Ein Polymer mit einem hohen LCB-Grad hat eine hohe Dehnungsviskosität, da die langen Äste während des Dehnungsprozesses miteinander verschlungen werden. Die maximale Spannung, die ohne Materialbruch auf die Schmelze ausgeübt werden kann, wird als Schmelzefestigkeit bezeichnet. Ein Material mit einer höheren Dehnungsviskosität hat eine höhere Schmelzfestigkeit. Die Schmelzfestigkeit des Polymers beeinflusst die Stabilität der bei der Blasfolienextrusion gebildeten Blasen. Ein Material mit geringerer Schmelzfestigkeit ist schwieriger zu verarbeiten, da es beim Strecken während der Blasenbildung leichter bricht.

Häufige Probleme und Techniken zur Fehlerbehebung

Obwohl die Herstellung von Mehrschichtfolien vorteilhaft ist und Möglichkeiten zur Verbesserung der Folienleistung bietet, stellt die erhöhte strukturelle Komplexität die Verfahrenstechniker vor neue Herausforderungen. Um erfolgreich Mehrschichtfolien herzustellen, müssen vier Schlüsselfaktoren berücksichtigt werden: 1) Polymerauswahl, 2) Design der Prozessausrüstung, 3) Schichtanordnung und 4) Prozessbedingungen. Wenn einer oder mehrere dieser Faktoren nicht vollständig berücksichtigt werden, tritt das Problem der Blasfolien-Coextrusion auf. Im Folgenden werden fünf häufige Probleme im Zusammenhang mit der Blasfolien-Coextrusion und Techniken zur Fehlerbehebung für jedes Problem beschrieben.

1. Blaseninstabilität:

 Der Begriff "Blaseninstabilität" deckt viele Aspekte im Zusammenhang mit der Stabilität extrudierter Blasen ab. Zu den Hauptproblemen zählen das Platzen von Blasen, Kaltverfestigung, instabile Frostlinien und Blasenvibrationen.

Blasenriss: Wenn das geschmolzene Material, das die Form verlässt, überdehnt wird, kommt es zum Blasenriss, was zum Platzen der Blasenstruktur führt. Dies geschieht, wenn die Schmelzfestigkeit des extrudierten Materials nicht ausreicht, um das gewählte Aufblasverhältnis (BUR) zu erreichen. Um dieses Problem zu vermeiden, kann die Wahl des Harzes modifiziert werden, um Materialien mit höherer Schmelzfestigkeit in die Folienstruktur einzubauen, um die Gesamtschmelzfestigkeit zu erhöhen. Ein Beispiel hierfür ist die Einarbeitung von Polyethylen niedriger Dichte (LDPE) in eine Folie aus linearem Polyethylen niedriger Dichte (LLDPE), um deren Gesamtschmelzfestigkeit zu erhöhen.

Kaltverfestigung: Kaltverfestigung tritt auf, wenn das geschmolzene Polymer schnell in Maschinenrichtung (MD) gestreckt wird und somit aushärtet. Dies verursacht Schwankungen des inneren Blasendrucks und der Blasenbreite. Dieses Problem kann vermieden werden, indem die Retracement-Rate reduziert wird. Eine andere Lösung besteht darin, die Wahl des Harzes zu ändern, um die Gesamtdehnviskosität des Films zu verringern, so dass sich der Film in MD ohne jegliche Kaltverfestigung mehr strecken kann.

Instabile Frostlinie: Im stabilen Prozess bleibt die Frostlinie auf einer konstanten Höhe über dem Werkzeug und wird durch die Abkühlgeschwindigkeit, die Formleistung und die Gleichmäßigkeit der Filmdicke gesteuert. Wenn der Prozess instabil wird, wird auch die Position der Frostlinie instabil. Ein Grund für diese Instabilität ist die ungleichmäßige Temperaturverteilung im Extrudat.

Änderungen der Schmelzetemperatur können auf eine falsche Schneckenkonstruktion des ausgewählten Harzes, Schneckenverschleiß oder einen Ausfall der Heizung oder des Thermoelements zurückzuführen sein. Vor dem Zusammenführen sollte die Schmelzetemperatur für jeden Strom ermittelt werden, um zu bestimmen, welche Schmelzeschicht die Temperaturänderung verursacht. Nach der Positionierung können die Schrauben entfernt und auf Abbau des Polymers und Verschleiß der Schrauben überprüft werden. Auch die Funktion aller Heizungen und Thermoelemente sollte überprüft werden.

Eine weitere häufige Ursache für eine instabile Frostlinie ist das Verstopfen von Schimmelpilzen. Ein ungleichmäßiger Formdurchsatz kann durch die Ansammlung von abgebautem Material in der Form verursacht werden. Um diese Situation zu vermeiden, sollte die Form regelmäßig auf Materialansammlungen überprüft und ggf. gereinigt werden.

Blasenflattern: Das Blasenflattern beginnt unterhalb der Frostlinie und wird als lineare Markierung in Querrichtung (TD) der Blasenoberfläche angezeigt. Diese Schwingung wird durch die hohe Luftgeschwindigkeit vom Luftring verursacht. Das Verringern der Gebläsegeschwindigkeit oder das Einstellen der Luftringeinheit, um den Luftstrom entlang der Blasenoberfläche zu reduzieren, verhindert das Aufschwimmen der Blasen. Eine Verringerung des Luftstroms verringert jedoch anschließend die Kühleffizienz des Luftrings, was dazu führen kann, dass die Frostlinie aus der Form entfernt wird, was neue Probleme verursacht. Um dies zu vermeiden, kann die Harzauswahl optimiert werden, um die Gesamtschmelzviskosität des Extrudats zu verringern und die Gesamtschmelztemperatur zu senken.

Was sind die häufigsten Probleme beim Coextrusionsblasfolienprozess?

2. Spezifikationsänderung:

 Bei der Blasfolien-Coextrusion ist es unvermeidlich, dass die Folie (normalerweise in TD) ein gewisses Maß an Spezifikationsänderung aufweist. Ein Beispiel für das Dickenprofil einer Folie mit geringer Dickenschwankung ist in Abbildung 1a zu sehen. Wenn jedoch während der Verarbeitung unerwartete Probleme auftreten, erhöht sich der Grad der Spezifikationsabweichung. Es gibt eine Reihe verschiedener Probleme, die zu einer Zunahme der Messabweichung führen können, und die Ursache des Problems kann durch Überprüfen der Form des Messprofils der Blase bestimmt werden.

Fehlausrichtung der Form: Eine häufige Ursache für Spezifikationsabweichungen ist die Fehlausrichtung des Formspalts. Eine Fehlausrichtung der Form kann zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Materials führen, das die Form verlässt. Ein häufiger Indikator für eine Fehlausrichtung der Form ist das Versatzprofil, wie in Abbildung 1b gezeigt. Um dieses Problem zu beheben, überprüfen Sie die Gleichmäßigkeit des Formspalts entlang des Umfangs. Wenn es nicht ausgerichtet ist, können Sie das Werkzeug mit den Werkzeugeinstellschrauben neu positionieren.

Abbildung 1 Ein Beispiel für ein Maßstabsdiagramm einer Filmprobe, die den folgenden Bedingungen unterliegt: A) minimale Maßstabsänderung; B) Versatzlehrenwechsel.

Ungleichmäßige Luftringkühlung: Ein schlechter Luftstrom oder ein ungleichmäßiger Luftstrom im Luftring führt zu einer ungleichmäßigen Kühlung der Folie, was sich auf das Streckverhältnis der Folie auswirkt. Dies kann dazu führen, dass Teile der Folie stärker gedehnt werden als andere Teile, was zu Spezifikationsänderungen führen kann. Um dieses Problem zu vermeiden, sollte der Luftkanal im Luftring regelmäßig überprüft und gereinigt werden, um alle Verunreinigungen zu entfernen, die den Luftstrom stören können. Der Luftring sollte ebenfalls überprüft werden, um sicherzustellen, dass er richtig auf der Form zentriert ist.

Ungleichmäßige Schmelzetemperatur: Eine ungleichmäßige Schmelzetemperatur führt zu Änderungen der Blasenabkühlgeschwindigkeit und der Düsenleistung. Ein offensichtliches Zeichen für eine ungleichmäßige Schmelzetemperatur ist die sinusförmige Messkurve. Die Bildung dieser sinusförmigen Dickenänderung hängt mit dem Fließen von Materialien mit ungleichmäßiger Schmelzetemperatur durch die Form zusammen. Dieses Phänomen wird Portleitung genannt. Wie bereits erwähnt, wird die Änderung der Schmelzetemperatur wahrscheinlich durch unsachgemäße Schneckenkonstruktion oder Verschleiß verursacht.

3. Schnittstelleninstabilität: 

Der Begriff Grenzflächeninstabilität bezieht sich auf die Instabilität, die an der Grenzfläche zwischen zwei Schichten auftritt. Die Stabilität der Grenzfläche hängt von Faktoren wie Materialeigenschaften, Prozessbedingungen und Konstruktionsmerkmalen der Ausrüstung ab. Drei bekannte Arten von Grenzflächeninstabilität können während der Blasfolien-Coextrusion auftreten.

Zickzack-Grenzflächeninstabilität: Wenn die Grenzfläche einer übermäßigen Scherbeanspruchung ausgesetzt wird, tritt diese Form der Instabilität auf, die zu einer "Zickzack"-Verformung auf der Filmoberfläche entlang der TD-Richtung führt. Das Bild dieser Instabilität ist in Abbildung . dargestellt 

Es gibt einige bekannte Ursachen für Zickzack-Instabilität. Der erste ist der Unterschied in der Scherviskosität zwischen den Materialien, die die Grenzfläche erzeugen. Wenn das Material deutlich unterschiedliche Scherviskositäten aufweist, erfahren die verschiedenen Schichten unter der aufgebrachten Schubspannung unterschiedliche Scherraten, was zu einer Zickzack-Verformung führt. Dies kann durch die Wahl von Materialien mit ähnlicher Scherviskosität (wenn möglich) gemildert werden, um die Grenzfläche zu erzeugen.

Der zweite Grund ist, dass das Schichtverhältnis ungeeignet ist. Wird das Schichtverhältnis so gewählt, dass die Grenzfläche zu nah an der Formwand liegt, führt eine zu hohe Schubspannung zu einer Verformung. Um dies zu verhindern, kann die Dicke der Außenschicht erhöht werden, um die Grenzfläche von der Wand wegzubewegen und die auf die Wand ausgeübte Schubspannung zu reduzieren.

Der dritte Grund ist eine falsche Formgestaltung. Beim Entwerfen einer Form ist es wichtig, die Flüssigkeitskanäle richtig zu optimieren, um eine gleichmäßige Geschwindigkeitsverteilung in der gesamten Form zu erreichen. Eine unsachgemäße Formgestaltung kann zu hohen Scherpunkten und einer ungleichmäßigen Geschwindigkeitsverteilung führen, was zu dieser Instabilität führen kann.

Instabilität der Wellengrenzfläche: Diese Form der Instabilität wird durch eine ungleichmäßige Dehnungsverformung an der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien verursacht. Wenn die Blase aus der Form extrudiert wird, bildet sie eine Wellenform entlang des Blasenoberflächenmusters. Ein Bild dieser Instabilität ist in Abbildung 3 zu sehen. Es wurde festgestellt, dass die Dehnungsverformung, die diese Instabilität verursacht, aus zwei bekannten Quellen auftritt. Der erste hängt mit dem ungeeigneten Schichtverhältnis zusammen. Wenn eine der kombinierten Schichten der Struktur zu dünn ist, erfährt sie am Zusammenführungspunkt in der Form eine stärkere Beschleunigung, was zu einer höheren Dehnungsverformungsrate in dieser Schicht führt. Das Verhältnis der Schichten sollte angepasst werden, um eine gleichmäßigere Geschwindigkeitsverteilung stromabwärts des Zusammenführungspunkts zu ermöglichen.

Die zweite Quelle ist der Unterschied in der Dehnungsviskosität der Materialien, aus denen die Grenzfläche besteht. Zwei Materialien mit unterschiedlichen Dehnungsviskositäten erfahren dieselbe Dehnungskraft und verformen sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Wenn möglich, sollten Materialien mit ähnlichen Dehnungseigenschaften ausgewählt werden, um die Schnittstelle zu erstellen.

Instabilität der reaktiven Grenzfläche: Beim Coextrudieren einer mehrschichtigen Struktur, die aus einem polaren Sperrharz und einer Klebstoffschicht besteht, kann eine reaktive Grenzfläche gebildet werden. Das Sperrharz wird normalerweise mit der Polyolefinharzschicht coextrudiert. Diese Strukturen erfordern normalerweise eine Verbindungsschicht zwischen ihnen, um die Haftung zwischen ihnen zu verbessern. Die Haftschicht ist ein Polymer aus polaren und unpolaren Endgruppen. Manchmal kann eine unerwünschte chemische Reaktion zwischen den polaren Endgruppen der Klebeschicht und dem polaren Sperrharz auftreten, wodurch eine instabile Grenzfläche gebildet wird. Das Ergebnis dieser Reaktionen ist, die optische Klarheit zu verringern und dem Film ein raueres Aussehen zu verleihen.

Ein Beispiel für diese Instabilität ist die Grenzfläche zwischen EVOH und einer Verbindungsschicht mit funktionellen Gruppen aus Maleinsäureanhydrid (MA). Zwischen dem MA der Verbindungsschicht und den Hydroxylgruppen entlang der EVOH-Kette können unerwünschte Reaktionen auftreten. Ein visuelles Beispiel für diese Instabilität ist in Abbildung 4 gezeigt, die PP/EVOH-Mehrschichtfolien vergleicht, die unter den gleichen Bedingungen ohne eine Klebeschicht (Abbildung 4a) und eine MA-Klebeschicht (Abbildung 4b) coextrudiert wurden. Aufgrund der unerwünschten Wechselwirkung, die an der Grenzfläche zwischen dem EVOH und der MA-Bindeschicht auftritt, führte die Zugabe der MA-Bindungsschicht zu einer starken Abnahme der Klarheit des optischen Films. Um dies zu verhindern, kann die Anschlussschicht durch eine Anschlussschicht aus unterschiedlichen funktionellen Endgruppen ersetzt werden.

4. Gel:

Der Begriff "Gel" wird im Allgemeinen verwendet, um sich auf jede Form von kleinen Defekten zu beziehen, die optische Verzerrungen im endgültigen Film erzeugen. Gele sind problematisch, da sie nicht nur optische Verzerrungen verursachen, sondern auch die mechanischen Eigenschaften des Films verringern. Gele können in drei Kategorien eingeteilt werden: ungeschmolzenes Harz, abgebaute Materialien und fremde Verunreinigungen.

Ungeschmolzenes Harz: Ungeschmolzenes Harz ist eine verbreitete Art von Gel, die normalerweise bei hohem Extruderdurchsatz beobachtet werden kann. Sie sind das Ergebnis eines ungleichmäßigen Aufschmelzens, das durch die im Extruder befindliche Niedrigscherzone verursacht wird. Um festzustellen, ob das Gel ungeschmolzenes Harz ist, erhitzen Sie das Gel über seine Schmelztemperatur und lassen Sie es dann abkühlen. Wenn das Gel nach dem Abkühlen nicht wieder erscheint, handelt es sich um ein ungeschmolzenes Harz. Wenn die Folie nicht geschmolzenes Harz enthält, sollte die Extruderschnecke überprüft und neu konstruiert werden, um das Vorhandensein von Zonen mit geringer Scherung zu minimieren.

Materialabbau: Wird das Polymer über längere Zeit hoher Energie ausgesetzt, kommt es während des Extrusionsprozesses zu Materialabbau. Diese Bedingungen führen zur Bildung von stark oxidierten oder vernetzten Materialien, die als Gele im Film erscheinen. Normalerweise sind diese Gele nicht sofort nach dem Start vorhanden. Im Laufe der Zeit erscheinen sie auf der Folie, da sich das abgebaute Polymer dabei ansammelt.

Stark oxidiertes Gel erscheint als spröde schwarze Flecken, die durch Fluoreszenz unter ultraviolettem Licht identifiziert werden können. 5 zeigt ein Bild eines stark oxidierten Gels, das unter polarisiertem Licht erhalten wurde, und ein Bild der Gelfluoreszenz, das unter UV-Licht erhalten wurde. Das vernetzte Gel hat ein dunkelbraunes Aussehen und besteht aus oxidierten Substanzen, aber der Oxidationsgrad ist zu gering, um unter ultraviolettem Licht eine Fluoreszenz hervorzurufen.

Vernetzte Gele werden manchmal mit stark verschlungenen Harzen verwechselt. Um zwischen den beiden zu unterscheiden, wird das Gel über seine Schmelztemperatur erhitzt, es wird Spannung ausgesetzt, um es zu brechen, und dann lässt man es abkühlen. Wenn die Gelform nach dem Abkühlen wieder erscheint, deutet dies darauf hin, dass das Material vernetzt und nicht stark verschlungen ist. Um die Quelle des abgebauten Materials zu bestimmen, sollte die Extruderschnecke nach dem Betrieb ohne Spülen entfernt werden. Sobald die Degradationsquelle identifiziert ist, kann das Schneckendesign in diesem Bereich optimiert werden, um Stagnation und geringe Scherung zu minimieren.

Fremde Verunreinigungen: Manchmal können fremde Verunreinigungen in den Prozess gelangen. Fremde Verunreinigungen gelangen normalerweise zusammen mit den Hauptrohstoffen durch einen Trichter in den Extruder und können von Bekleidungsfasern bis hin zu fremden Polymerharzen reichen. Wenn sich herausstellt, dass sich die Schmelztemperatur des Gels signifikant von der Schmelztemperatur des Rohharzes unterscheidet oder seine Form sehr unregelmäßig ist (wie Fibrillen), handelt es sich wahrscheinlich um Fremdverunreinigungen. Um diese Gelbildung zu vermeiden, sollte der Trichter immer gründlich gereinigt und der Original-Rohstoffbehälter verschlossen werden, um das Eindringen von Fremdkörpern zu verhindern.

5. Filmrollen: 

Filmkräuseln ist ein Defekt, der in einer Mehrschichtstruktur beobachtet wird, die aus Materialien mit unterschiedlicher Kristallinität besteht. Dieser Defekt entsteht beim Abkühlen des geschmolzenen Films und führt dazu, dass sich der Film auf sich selbst aufrollt. Das Aufrollen des Films hängt mit zwei Problemen zusammen: Unterschieden in den Materialeigenschaften (dh Schmelzpunkt, Kristallinität) und ungeeigneter Schichtanordnung.

Ein gängiges Beispiel für das Aufrollen von Folien ist in Abbildung 6 dargestellt, die eine dreischichtige Folie aus Polyethylen (PE), Nylon (PA) und einer Klebeschicht zeigt. Wenn die Mehrschichtfolie die Form verlässt, schmelzen alle Schichten und die Folie beginnt abzukühlen. Beim Abkühlen kristallisiert die Nylonschicht und wird hart, während die PE-Schicht noch im geschmolzenen Zustand schrumpft. Sinkt die Temperatur unter die Schmelztemperatur von PE, wird es auch hart. Zu diesem Zeitpunkt ist das Nylon jedoch kristallisiert und kann nicht weiter schrumpfen, wodurch sich das PE während des Härtungsprozesses daraus wellt.

Eine Möglichkeit, das Aufrollen des Films zu verhindern, besteht darin, den Film schnell abzukühlen, um eine Kristallisation zu verhindern. Im Gegensatz zur Verwendung von Luft zum Kühlen der Folie kann die Folie zum schnellen Abkühlen direkt in ein Wasserbad extrudiert werden. Dadurch können Materialien mit unterschiedlichen Kristallisationsraten coextrudiert werden, ohne dass sich die Folie kräuselt. Eine andere mögliche Lösung besteht darin, den Aufbau der Mehrschichtfolie zu optimieren.

Ändern Sie zum Beispiel die Struktur einer PE/Binde/PA-Folie, die gewellt werden kann, zu PE/Bindung/PA/Bindung/PE/Bindung/PA. Die zusätzlichen Schichten in der neuen Folie erhöhen die Gesamtqualität der Folie, wodurch der Grad der Kräuselung der Folie verringert wird.

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