EVOH高阻隔硬質包裝復合材料加工工藝與裝備介紹
發布時間：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，運輸方便等優點，但包裝行業通常要求塑料包裝片材兼備機械強度、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、水分等環境條件下發揮作用，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，環保性能好。由于EVOH樹脂優良的阻氣性、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揮各材料的性能，提高EVOH的阻水性，獲得綜合性能優異的高阻隔材料。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，成型性能優越，宜沖切，適宜應用于硬質包裝材料。因而大力發展適用于硬包裝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；
水循環系統：輥筒水溫控制；
電氣控制系統：整套設備電氣控制。
WJPG120/105/75/65/65-1200型EVOH高阻隔片材機
此設備生產的EVOH高阻隔片材，經國家包裝產品質量監督檢驗中心(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，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]
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節葉片, 用來調節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，調節料層中間處的厚薄。
要獲得性能優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融合發展為主要特征的產業變革在全球范圍內孕育興起，智能制造已成為制造業發展的主要方向。互聯網+工業化的推廣應用，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，實現動態設置和存儲；能夠監控生產運行狀態并自動調整；能夠智能優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，噪音小；
4、 擠出機配套計量泵定量穩壓輸送，一般在過濾網前及計量泵前后配備壓力傳感器，壓力與轉速閉環控制，第一級是網前壓力與主螺桿電機閉環控制，第二級是計量泵后與計量泵電機閉環控制，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技術，分層更加均勻；
6、 選用高效節能機筒加熱圈，確保加熱系統的節能及穩定性；并配套高低溫報警及補償裝置，
7、 配備靜態混合器，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，閉環反饋，結構緊湊，生產片材厚薄在線自動調節，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，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，環保衛生；
13、 卷取前配備儲片架，可連續儲存片材，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，節省大量的作業時間和人工消耗，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，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數據中心和工業數據采集與分析軟件、遠程監控網絡設備、標準電機健康檢測分析系統、設備能源管理優化系統等，對在客戶工廠的供應商設備實現遠程監控和對各種工藝數據采集和存儲，并進行工藝數據分析，優化生產工藝配方。
五、智能片材設備市場未來發展方向
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，依據可持續綠色發展需要，集中優勢資源，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，充分運用現代高精尖設備，提高裝備零部件加工精度，設計優化各類零件結構，優化加工工藝，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，已成為新一輪工業革命的核心驅動力[5]。；其次，食品、飲料以及新能源等工業領域對高性能包裝行業需求持續高漲，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：節能高效，數據化、自動化、智能化擠出片材機是成為技術創新的方向，智能化引領產品的發展未來。
正因如此，積極開發硬包裝多層共擠智能化片材機是行業搶占市場的商機的重要措施。打造高效節能、綠色環保、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，技術創新，可持續發展方向，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 的流程制造業智能化目標、特征和路徑戰略研究 ，中國工程科學 2020 年 第22 卷 第3 期