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摘要：本文以PMMA/PC/PMMA 三層結構的光學薄膜模內共擠模頭為例，運用國際同步的原料分析技術和流道模擬分析軟件，對兩種原材料的壓力、溫度及流速進行對比分析，從分析結果中得出各層物料進入模腔內的情況。
在模頭設計過程中參考以上數值，通過對流道的不斷調整，使每層的壓力基本接近并在合理范圍，使得模內多層共擠技術的優(yōu)勢得到最大發(fā)揮。
關鍵詞：模內多層共擠 光學薄膜 原料流變分析 流道仿真模擬分析
項目研究背景
隨著塑料制品應用領域的不斷擴增，人們對產品要求也在不斷提升，各種各樣的光學薄膜應運而生，尤其是數碼產品觸摸交互的升級，觸摸屏基礎材料光學薄膜被賦予了更高的價值，對新材料運用及加工工藝提出了更高的挑戰(zhàn)。
比如讓制品由多種不同特性的原料構成，使它兼有幾種不同原料的優(yōu)良特性，實現不同的功能；或是由不同顏色的同種原料構成，從而得到特殊的外觀，此時單層的模頭已經無法滿足需求，這就需要多層共擠模頭來實現，特別是電子產品上的PC-PMMA、TPU鞋材、TPE-TPO包裝膜、CPP光學膜等，這些具有綜合性能的多層復合材料在許多領域中都有著極其廣泛的應用價值。
目前市面上運用較多的是PMMA和PC光學薄膜，PMMA光學薄膜具有優(yōu)異的導電層鍍敷性能和較高的硬度，但存在脆性，PC 光學薄膜強度高，韌性好，但導電層鍍敷性能不盡人意。
為了克服單一原料特性的不足，運用多層共擠技術生產PMMA/PC/PMMA 雙面防刮傷光學薄膜，韌性最好的PC 處于中間，成為多層共擠光學薄膜的骨架，其韌性、抗撕裂強度遠遠高于單一的PMMA 光學薄膜，光學薄膜的使用性能指標得到明顯改善。將PMMA 材料設置于兩外側，可以充分利用其優(yōu)異的導電層鍍敷性能，使制品兼有兩種材料的優(yōu)勢。
模內多層共擠優(yōu)勢分析
模頭是共擠出設備中的核心裝置，其結構決定著復合材料的性能，目前關于多層共擠膜的研究也多集中于機頭口模的設計。
模頭設計是擠出工程的一個重要環(huán)節(jié)，在產品成型過程中扮演著重要的角色，其設計的合理性不但關系著生產效率，還影響著制品的品質特性，要制造一個優(yōu)質的模頭，第一步是必須全面了解塑料原料的屬性。多層共擠技術主要分為兩種形式，一種是分配器共擠，另一種是模內共擠。對于幾種粘度和工藝溫度差別較大的原料，模內共擠的優(yōu)勢就會體現出來。
具體來說模內多層共擠有以下優(yōu)勢：
①比起分配器共擠，模內共擠能更好的控制各層的復合比例，一般分配器表層復合比例都不低于10%，而模內共擠最薄可達到5%。
②三個料進入流道后互不干涉，直到距離模唇口一小段位置開始復合，縮短了復合停留時間，有效地降低了各層之間復合時的影響。
③在設定的溫度、壓力狀態(tài)下進行三種材料的模內溫度差異化熱復合，可以確保良好的材料性能。
④有效避免粘度相差較大而導致壓差出現的串層現象。
流道仿真模擬分析
擠出平模頭技術是多學科組成的綜合實力的產業(yè)，是對高分子材料學、模流分析技術、鋼材熱處理、機械加工多學科知識的綜合運用。隨著新材料發(fā)展的日新月異，對工藝創(chuàng)新和模頭的研發(fā)設計提出了更高的要求，我們深刻體會到原材料分析技術是模頭研發(fā)過程中真正的核心技術，只有對原材料進行準確的分析和掌控，才能制造出最貼合生產線技術要求的模頭。本文將以一種生產PMMA/PC/PMMA 三層結構的防刮傷光學薄膜的模內共擠模頭為例，對兩種原材料的壓力、溫度及流速進行對比分析。
1. 原料流變分析
原料：PC測試溫度為260、270、280℃ PMMA測試溫度為210、220、230℃
儀器：馬爾文毛細管流變儀RH2000 毛細管口模長度16mm 直徑1mm
上圖為兩種原料在溫度范圍內剪切速率和剪切粘度的關系曲線
2. 流道仿真模擬分析
模頭參數： 寬幅1500mm 制品厚度0.05-0.3mm 總產量為180kg/h
上下層為PMMA（工藝溫度220℃）-- 各占總厚度的比例25%
中間層為PC（工藝溫度270℃）-- 占總厚度的比例50%
從原料數據可以看出，兩種原料粘度、流動性差別很大，溫差也達到50℃，我們采用模內共擠結構，由于上下層和中間層原料粘度、溫度、產量的差異會造成各層壓力、流速都會不同，這樣物料在口模中復合時，易產生不穩(wěn)定層流，造成復合界面不規(guī)則、厚薄比例不均勻，出模后各層容易分離等問題，使得工藝過程較為復雜和難以控制，尤其是生產光學產品時對復合的均勻性要求更高。
為了避免這些情況的發(fā)生，我們根據每層不同的原料特性和生產需求進行流道的初步設計，再導入到流道仿真模擬軟件中，從分析結果中可以看出各層物料進入模腔內的情況，通過對流道的不斷調整，使每層的壓力基本接近并在合理范圍，控制各層想要的厚度比例，確保復合前各層分配的均勻性以及出料流速的基本一致，這樣才能維持復合后的穩(wěn)定性，有效提高各個層面的薄厚精度。
各層壓力對比
上下層-PMMA
中間層-PC
各層壓力降曲線對比
上下層-PMMA
中間層-PC
各層溫度對比
上下層-PMMA
中間層-PC
各層出料流速曲線對比
上下層-PMMA
中間層-PC
3.模頭主要結構
以上分析結果是在恒溫條件下的情況，也是我們最理想化的狀態(tài)，只有很好地控制各層溫度，才能保證產品的質量，這是模內共擠模頭設計中最重要的一部分。我們把模頭分為很多溫度區(qū)，各層流道各個溫度區(qū)都有獨立的控制，相鄰兩層原料工藝溫度相差30℃以上的，層之間增加隔溫結構，防止竄溫，并增加油路起到恒溫的作用，把層與層之間的影響降到最小。
技術難點突破
這樣一個結構復雜的模頭自然在設計生產中存在很多難點，對加工精度的要求也會更加苛刻，投資成本高，制造周期也相對較長。除此之外對于客戶在使用時的要求也會更高，每臺擠出機的產量、溫度必須控制在合理范圍，保證進入模頭時壓力的穩(wěn)定性，才能更好地發(fā)揮模頭應有的性能。隨著國際前端設計軟件的運用，生產工藝和精加工技術的革新，多層共擠模頭在結構和共擠制品層數及物料的適應性、厚度控制精度等方面都有很大的提升。
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