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(nèi)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(chǎn)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(chǎn)多層復合片材，不同塑料原料的各種性能體現(xiàn)在制品上，集中體現(xiàn)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(nèi)外各種氣體成分的滲透，以保證內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)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]
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(diào)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(jù)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(chǎn)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(tǒng)：原料配方比例及輸送，破碎料回收裝置；
擠出系統(tǒng)：各擠出機、過濾、計量、共擠分配至模頭出片；
三輥壓光系統(tǒng)：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(tǒng)：動力牽引裝置；
收卷系統(tǒng)：片材成卷收卷；
水循環(huán)系統(tǒng)：輥筒水溫控制；
電氣控制系統(tǒng)：整套設備電氣控制。
WJPG120/105/75/65/65-1200型EVOH高阻隔片材機
此設備生產(chǎn)的EVOH高阻隔片材，經(jīng)國家包裝產(chǎn)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.
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(jīng)過液壓快速換網(wǎng)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(jīng)換網(wǎng)器直接進入模具會合，生產(chǎn)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(jīng)冷卻后通過自動測厚儀測量厚薄均勻度調(diào)節(jié)，切邊,片材經(jīng)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(chǎn)，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(chǎn)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(chǎn)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]
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]：
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(diào)節(jié)葉片, 用來調(diào)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(diào)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(diào)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(diào)整分層器中間層或外層來實現(xiàn)，若對分層器中間層作不對稱調(diào)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(xiàn)象。因此只能對外層調(diào)節(jié)器進行調(diào)整，實際生產(chǎn)可根據(jù)產(chǎn)品厚度進行選擇性調(diào)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(diào)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(chǎn)時模具兩端的溫度要調(diào)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(chǎn)生凝膠現(xiàn)象，且與其它樹脂的相容性較差，因而在生產(chǎn)前、后對螺桿和料筒要進行清洗，清洗最好使用熔融指數(shù)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(chǎn)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(diào)整，使兩側有包邊流體通道，包邊流體通道內(nèi)的流體與復合層的在出口處匯集成制品，包邊流體通道內(nèi)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(nèi)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(chǎn)業(yè)變革在全球范圍內(nèi)孕育興起，智能制造已成為制造業(yè)發(fā)展的主要方向?；ヂ?lián)網(wǎng)+工業(yè)化的推廣應用，促進產(chǎn)品的升級換代，產(chǎn)品生產(chǎn)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(chǎn)品品質和附加值。能夠實現(xiàn)設備健康狀態(tài)自動檢測；能夠根據(jù)制品及原料要求自動管理各種工藝參數(shù)，實現(xiàn)動態(tài)設置和存儲；能夠監(jiān)控生產(chǎn)運行狀態(tài)并自動調(diào)整；能夠智能優(yōu)化處理各種運行參數(shù)。智能化單元內(nèi)置了人工智能算法，具備工藝參數(shù)學習能力，能夠通過有限試驗樣本訓練，找到適合特定產(chǎn)品的設備最優(yōu)工藝參數(shù)，各功能裝置協(xié)同配合，確保產(chǎn)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(nèi)容：
1、 各擠出機的原料供給系統(tǒng)可選配自動配料系統(tǒng)，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(lián)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(shù)據(jù)相結合，通過不同原料組合及工藝參數(shù)，達到制品塑化好，能耗低、產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(diào)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(tǒng)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(chǎn)顏色料片材；
8、 可選配全自動調(diào)節(jié)模頭，配套測厚儀，實現(xiàn)厚度自動反饋控制，實現(xiàn)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(chǎn)片材厚薄在線自動調(diào)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(tǒng)采用伺服比例閥自動水溫調(diào)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(tǒng)，實現(xiàn)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(tǒng)，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(xiàn)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(jīng)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(tǒng)，在線檢測產(chǎn)品表面質量（如晶點、黑點或缺陷）；
17、 整機采用PLC控制，數(shù)據(jù)化信息采集系統(tǒng)，實現(xiàn)參數(shù)設置、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計分析，實時提供改進措施，確保生產(chǎn)過程始終處于統(tǒng)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(shù)據(jù)中心和工業(yè)數(shù)據(jù)采集與分析軟件、遠程監(jiān)控網(wǎng)絡設備、標準電機健康檢測分析系統(tǒng)、設備能源管理優(yōu)化系統(tǒng)等，對在客戶工廠的供應商設備實現(xiàn)遠程監(jiān)控和對各種工藝數(shù)據(jù)采集和存儲，并進行工藝數(shù)據(jù)分析，優(yōu)化生產(chǎn)工藝配方。
五、智能片材設備市場未來發(fā)展方向
國內(nèi)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(nèi)勞動力成本的不斷增加，人們對設備的產(chǎn)量、能耗、環(huán)保和自動化提出了更高的要求，國內(nèi)少家片材高端設備制造廠家，依據(jù)可持續(xù)綠色發(fā)展需要，集中優(yōu)勢資源，與國內(nèi)外多家先進的原料供應商、研究院與產(chǎn)品生產(chǎn)商等共同研發(fā)，充分運用現(xiàn)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(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、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(xiàn)顯著特點：節(jié)能高效，數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shù)字化、自動化、智能化挺進，同時滿足產(chǎn)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(chǎn)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