PVDC涂布工艺与设备剖析_张建昌

前言
PVDC是聚偏二氯乙烯的简称，最早是由美国道尔(D o w)化学公司于1933年发现的，它是氯化反应的副产物。

初始的PVDC工业，其产品仅仅用于军品的防潮包装。

上世纪50年代中叶由道尔公司推向民用，1965年可溶性水基分散型PVDC乳液开始工业化生产，80年代P V D C工业开始大力发展。

目前，国内PVDC材料的需求量每年以20%的速度递增，尤其在医药包装行业，发展速度更快。

对于PVDC，由于其分子间凝集力强，结晶度高，P V D C分子中氯原子有疏水性，不会形成氢键，氧分子和水分子很难在PVDC分子中移动，从而使其具有优良的阻氧性和阻湿性，且其阻氧性不受周围环境湿度的影响，也就是说，在任何温度或湿度条件下，兼具卓越的阻隔水汽、氧气、气味和香味的能力，是目前公认的在阻隔性方面
综合性能最好的包装材料。

经PVDC乳液或溶液涂布加工而制得的含PVDC涂层的复合薄膜是阻隔性能非常突出的一类软包装材料，在食品、药品及香烟等商品的包装中得到了广泛应用。

由于PVDC 涂层极薄，PVDC树脂的耗用量极少，成本相对较为低廉，在实用性、经济性方面优点十分突出，在实际应用中具有较强的竞争力。

正因为如此，在长达数十年的发展过程中，PVDC在高阻隔包装领域始终处于统帅地位。

鉴于此，研究PVDC涂布工艺与设备可获得良好的社会效益和经济效益。

PVDC涂布薄膜设备精度要求高，张力控制复杂，国外主要生产厂有：德国的Bush公司、意大利的Rotomec公司、日本的Musashino株式会社等。

近年来，国产PVDC涂布机悄然上市，最具代表性的是陕西北人印刷机械有限责任公司生产的TB1350PVDC涂布机。

该公司于2009年成功交付两
PVDC涂布工艺与设备剖析
陕西北人印刷机械有限责任公司　张建昌
摘要：本文通过对PVDC涂布工艺的研究，剖析其涂布过程中的每道工序，介绍了PVDC涂布设备的结构设计、制造要求及制造参数。

关键词：
PVDC　涂布　结构　设计
台PVDC涂布机，使用两年多来，运转良好，得到用户的高度评价。

作为陕西北人的一员，笔者有幸担任了这两台机器的主任设计，有感于新机构、新技术的应用，发表见解，愿与从事软包装行业的同仁共同探讨、共同进步。

PVDC涂布工艺与设备结构的设计
陕西北人TB1350PVDC涂布机生产线生产工艺条件：最高机械速度为180m/m i n；最高涂布速度为150m/m i n；幅宽750～1350m m；底胶涂布量为0.4～1.0g/m2；底胶热风干燥温度为80～120℃；PVDC涂布量2.0～4.0g/m2；PVDC热风干燥温度为95～120℃；熟化条件为40～50℃，48小时。

PVDC涂布工艺：基膜→表面电晕处理→涂底胶(A C剂)→红外干燥→热风干燥→冷却→涂面胶PVDC→红外干燥→热风干燥→冷却→卷取→熟化→产品
1.基膜选择
P V D C乳液及溶液已用于双向拉伸聚丙烯薄膜（B O P P）、聚乙烯薄膜（P E）、尼龙薄膜（P A）、聚酯薄膜（P E T）等多种塑料薄膜的涂布处理。

为了与未经涂布处理的薄膜相区别，常在经P V D C处理的薄膜前面加英文字母K，例如KPET、KBOPP等。

K B O P P简称K O P，具有优异的包装性能，被称为包装皇后。

日本香烟生产厂为了追求能使每一个消费者随时都可以享受到期望的那种特殊感受，香烟的包装全部采用K O P包装，而且在这一领域只有K O P能满足这一要求。

同样原因，韩国、印尼、泰国的大部分香烟也都采用K O P包装。

我国目前绝大部分香烟的外包装同样采用KOP包装。

袋装鲜牛奶/酸奶所使用的材料主要有三层共挤和五层共挤P E膜。

影响鲜奶变质的主要因素有光照、氧气、温度、二氧化碳、奶的挥发与渗漏。

采用黑白膜结构可以解决光照问题，低温贮藏有利于遏制细菌的繁殖。

氧气、二氧化碳、奶的挥发与渗漏会造成奶品质变坏，三层共挤不能阻隔氧气、二氧化碳气体，只有五层共挤或者三层共挤里层涂布PVDC才能克服氧气、二氧化碳气体的渗透问题。

在众多高阻隔材料中，PVDC是目前唯一被美国食品药品管理局（F D A）认证可与食品接触的高阻隔材料，PVDC涂层作里层的包装膜具有最佳的性价比，也是目前唯一能彻底解决鲜奶异味问题的包装结构。

实验数据表明，含PVDC涂层的复合薄膜在某些应用中表现出与含铝箔的复合材料相当的包装效果。

通过涂布PVDC涂层可以大幅度提高各种塑料薄膜的阻隔性能，明显地改善薄膜对各种商品的包装效果，且含PVDC涂层的薄膜具有可靠的卫生性能，适宜于食品、药品等的包装。

根据所包装物品的物理化学特性，选择适当的材料涂布PVDC可以降低制造成本，提高生产效率，保证商品品质，延长商品保质期。

2.表面电晕处理
最常用的聚烯烃薄膜材料属于非极性聚合物，其表面张力相当低，仅29×10-3～31×10-3N/ m。

从理论上讲，若某种物体的表面张力低于33×10-3N/m，那么就几乎无法附着目前知道的任何一种粘合剂，所以，对薄膜表面进行电晕处理是非常必要的。

据资料报道，聚烯烃表面张力介于38×10-3～48×10-3N/m之间，粘结牢度与表面张力成正比。

从实际经验与条件的许可情况来看，聚乙烯（PE）和聚丙烯（BOPP）的表面张力维持在40～44×10-3N/m就足够了。

3.底胶涂布
底胶涂布，又叫A C剂涂布，A C是A n c h o r c o a t i n g的缩写，翻译成中文为“中间底胶涂布”或“结合层涂布”。

PVDC涂层对各种塑料薄膜的粘合力弱，必须进行底胶涂布。

目前市售的A C剂品种较多，要结合基膜和用途进行选择。

A C 剂涂布量选择在0.4～1.0g/m2(干)之间。

选用常规胶辊压合网线辊结构即可实现A C剂的涂布。

而选择网线辊的线数、胶辊的材质及硬度、压印力的大小至关重要。

1)网线辊的选择
网线辊涂布的优点是可以进行定量涂布，涂布量由网穴的深度和粘合剂的工作固含量等因素决定。

网线辊的网坑常见的有三种，即斜齿形、棱锥形和棱台形。

对于软包装，通常采用棱锥形和棱台形网线辊。

网线辊的制作方式有机械挤压、电子雕刻、激光雕刻三种方式，最经济的是机械挤压方式制作的网线辊，最昂贵也最耐磨的是激光雕刻方式制作的陶瓷网线辊。

陶瓷网线辊与前两种网线辊相比，最优越的性能是耐磨、寿命长。

三种方式制作的网线辊均可满足涂布A C剂的涂布要求。

对于PVDC底胶的涂布，陕西北人采用陶瓷网线辊，线数160～200线/英寸，深度42～32um。

2)胶辊的选择
涂布橡胶压辊常用的材质有丁腈橡胶（N B R）、聚氨酯橡胶（P U）、三元乙丙橡胶（EPDM）、硅橡胶（SILICONE）等。

每一种橡胶都有其优异的特性，同时也有其难以克服的缺陷。

丁腈橡胶的优点是耐油、耐热、耐水性较强；缺点是耐寒、耐臭氧性较差、强力及弹性较低，耐酸碱性差，耐极性溶剂性能也较差。

聚氨酯橡胶的优点是耐磨性好、强度高，弹性好、耐油性优良、耐臭氧、耐老化；缺点是耐水、耐碱性差，耐芳香烃、氯化烃及酮、酯、醇类等溶剂性较差。

三元乙丙橡胶的优点是抗臭氧、耐紫外线、耐天候性和耐老化性优异，居通用橡胶之首，电绝缘性、耐化学性、耐冲击弹性很好，耐酸碱、耐极性溶剂；缺点是自粘性和互粘性差，不易粘和。

硅橡胶的优点是耐高温、耐低温，耐臭氧、耐大气老化，化学惰性大；缺点是机械强度低，耐油、耐溶剂、耐酸碱性差，较难硫化，价格较贵。

由于A C剂通常含有极性溶剂，所以胶辊应采用三元乙丙橡胶为最佳。

根据工艺要求，压印胶辊橡胶硬度一般选择绍尔A70～75。

3)压印力的选择
在选定胶辊硬度（绍尔A7070～75）的前提
下,压辊压力（含压辊自重）通常选定在250～300k g/m。

由于胶辊自身两边的硬度可能存在微小的差别，或者胶辊两边的气缸连接机构因零件的制造原因存在摩擦阻力的微小差别，从而导致料膜两边压力出现不同，因而，在设计上要求胶辊两边压印气缸的压力要分别可调，通常做法是两边气缸由两条控制气路分别单独调节，并同时离合。

除此之外，压辊两边还要设计机械微调机构调整压力，确保料膜两边压力相同，以达到涂布均布的效果。

影响A C剂涂布效果的因素还很多，比如刮刀角度、压力，抹平辊转向与转速，车间温度、湿度等。

应根据实际生产情况加以调整、控制。

4.底胶的红外干燥与热风干燥
底涂干燥是PVDC涂布的重要因素，直接影响涂布薄膜的雾度，低雾度会使透明薄膜产生清晰、亮泽的包装外观感受，高雾度则相反。

通过红外干燥与热风干燥相结合，能够使A C剂充分干燥，降低薄膜雾度。

远红外加热原理：远红外加热是采用了经特殊工艺加工的乳白石英玻璃管，配用电阻合金材料作为发热器的加热元件。

通电后，发热合金丝发射的可见光和近红外光，其中95%被乳白石英管所阻挡、吸收，使管内温度升高产生纯硅氧键的分子振动，辐射远红外线。

波长大于2.5微米的远红外线被称为远红外。

由远红外加热原理可以看出，由于其具有波的特性，所以远红外加热具有穿透性。

在干燥初期利用远红外加热与热空气喷射相结合，然后再单独采用热空气喷射的方法，会使A C剂充分干燥。

如果只采用热空气喷射的干燥方法，在干燥初期如果温度控制不当，粘合剂表面会结皮硬化，内层溶剂很难溢出，造成溶剂残留，影响涂布品质。

由于P V D C底胶涂布量介于0.4～1.0g/m 2(干)之间，相对来说涂布量较小，所以P V D C底胶涂布干燥烘箱长度大于6米即可满足要求（机速：
150m/m i n以下），每3米为一区，每区风量不必过大，控制在2600～3200m3/h之间,风嘴风速也不必过大，介于13～15m/m i n即可。

热风系统带二次回风功能，充分利用、节约能源。

每区温度在80～120℃之间递增设置。

陕西北人P V D C涂布机底胶涂布干燥烘箱长度设计12米，分为四区，第一区采用远红外加热与热空气喷射相结合的干燥方法，其余三区采用单独热空气喷射的干燥方法,每区风量3600～4200m3/h，风嘴风速15～16m/ m i n，带有二次回风功能，烘箱设计最高温度可达150℃。

5.底胶冷却
在一定张力作用下，较高温度的薄膜收缩性很大，冷却的作用是让薄膜冷却定形，刚性好一点，挺一点。

常用冷却方法有风冷和水冷，水冷主要有单辊式单面冷却和双辊式双面冷却两种形式。

双辊式冷却在高速状态下冷却较厚薄膜比单辊式冷却效果好，更加充分。

另外，无论是何种结构，冷却的效果都与冷却水的水温和薄膜对冷却辊的包角有关。

冷却辊的水温低、薄膜对冷却辊的包角大，冷却效果就好。

如果是单辊式冷却，薄膜与冷却辊经常采用Ω包角结构，如果是双辊式冷却，薄膜与冷却辊经常采用大S包角结构。

陕西北人底胶涂布干燥后的冷却采用单辊Ω包角结构，冷却辊直径φ400mm，采用夹层螺旋流道结构设计，确保冷却辊辊身温度均匀。

6.涂面胶PVDC
1）PVDC乳胶的调配
特别指出PVDC乳胶有较强的酸性，以此来维护其稳定，因此，PVDC面胶涂布单元要充分考虑腐蚀。

同时PVDC与软钢、铜、锌、铝制品接触，极易发生凝胶结晶或破乳。

PVDC乳胶中的表面活性剂，在搅拌中会产生大量泡沫，在有些泡沫中会含有眼观不能分辨的微气泡，这些微气泡极难自破，因而一旦被涂布辊转移到基材上，在烘干中不是形成针孔就是形成凹坑，从而对涂布膜的阻隔性起到负面影响，同时也影响了外观透明度。

基于上述PVDC乳胶自身的特性，现阶段PVDC 面胶涂布单元中凡是与PVDC胶液接触或有可能接触的零部件全部采用不锈钢制作或至少表面进行镀镍处理。

同时，乳胶被涂布之前的调配过程必须满足PVDC乳胶性能的要求，轻摩擦、不起泡。

一种更为合理的方法是采用压缩空气或流体自重输送：乳胶由搅拌桶自高向低流进过滤桶，经过两道过滤网过滤杂质和气泡，由气动隔膜泵抽入胶槽，再由辊筒连续、均匀地转移到运动的基材上。

气动隔膜泵应采用聚四氟乙烯（PTFE）隔膜片，胶槽应从底部进胶，上部溢出回流。

整套系统均由不锈钢或塑料材质制作，避免了金属腐蚀，排除了PVDC乳胶凝胶和破乳的危险。

2）PVDC乳胶涂布
网线辊逆转吻涂方式是目前最流行最经典的P V D C乳胶涂布方式。

设计时，网线辊可正转，可逆转，速度调整范围为最高涂布速度的0～200％。

料膜与网线辊的包角大小通过网线辊之前的可调导向辊来调节，根据胶液粘度性状，调整料膜与网线辊的包角，粘度越大，包角越小。

在料膜与网线辊包角一定的前提下，调整网线辊的逆向转速以控制涂布量的大小，转速越高，涂布量越大。

对于PVDC乳胶的涂布，陕西北人采用陶瓷网线辊，线数160～200线/英寸，深度42～32u m。

网线辊表面镀上陶瓷层，提供了足够的耐磨性和耐酸性。

为防止PVDC乳胶在网线辊表面形成微气泡，陕西北人采取网线辊内部通循环冷却水的方式进行表面冷却。

为了使通过网线辊涂敷到基材表面的PVDC乳胶变得更平滑、透明度更高，在涂胶之后设置有匀胶抹平辊。

它与料膜的接触包角可由位于操作侧的手轮通过蜗杆、蜗轮来调整。

设计时，抹平辊既可正转，也可逆转，速度可调，应根据主机的运行速度调整出最佳的匀胶速度，抹平辊表面的最大线速度可与主机最大速度相同。

通常作法是逆转抹平。

特别指出，由于采用逆转吻式涂布和逆转抹
平，加之PVDC乳胶粘度较大，以致料膜有被向后“推动”的趋势，所以，料膜涂布之后、进入烘箱之前必须设计安装真空吸附牵引辊。

一方面克服了涂布和抹平的阻力，另一方面能使料膜在烘箱内保持较小的张力，避免料膜在烘箱内受到高温和大张力时拉伸变形。

7.面胶的红外干燥与热风干燥
乳胶的干燥是个复杂的动力学过程。

由于乳胶是水分散体，干燥主要分为辐射干燥和热风循环干燥两个阶段。

乳胶经过涂布后，首先进入辐射干燥系统。

在辐射干燥系统部分，乳胶粒子会失去大部分水分而形成紧密的连接层，此时，涂层已失去了原有的流动性。

进入热风循环干燥后，乳胶粒子之间的水分会逐渐丧失，由于毛细压力，乳胶粒子要填补因水分丧失而形成的空间，直到所有水分都蒸发干，致密的PVDC涂层也就形成了。

在PVDC涂层干燥过程的辐射干燥阶段，如果辐射干燥器的温度过高，会使涂层因温度过高而沸腾，从而使PVDC涂层出现气泡、斑块的外观缺陷。

干燥器内的除湿一般采用排风装置，如果风量过小，则达不到降低湿度的目的，如果风量过大会使涂层因受到风力而形成外观上的带状弊病。

由于乳胶具有低温下成膜的性能和成膜后对水蒸气的阻隔性，因此在热风循环干燥阶段，烘
箱内的热风温度和风速应不使基材产生热收缩为限，尽可能提高温度和风速。

陕西北人的PVDC面胶干燥烘箱与底胶干燥烘箱结构相同，长度相同。

即长度设计12米，分为四区，第一区采用远红外加热与热空气喷射相结合的干燥方法，其余三区采用单独热空气喷射的干燥方法,每区风量3600～4200m 3/h，风嘴风速15～16m/m i n，带有二次回风功能，烘箱设计最高温度可达150℃。

8.面胶冷却
由于面胶干燥烘箱温度较高，料膜出烘箱后温度也就较高，因而与底胶冷却不同，面胶冷却更重要。

通常做法是采用直径较大的单辊Ω包角结构，陕西北人采用双辊大S包角结构，冷却辊直径φ240m m，采用夹层螺旋流道结构设计，确保料膜双面充分、均匀冷却。

结束语
随着改革开放，生活质量的提高，人们对保鲜、保味、保口感食品的追求会更进一步。

作为世界公认的三大高阻隔材料之一，我们期待着P V D C市场的稳定和有序发展!期待着国产软包装设备尤其是PVDC涂布设备制造业能够进入一个崭新阶段，从经营理念、科研投入、生产手段、管理模式到产品质量档次，均发生根本性的变化！为软包装行业提供性价比最佳的装备。

参考文献
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