اکستروژن مشترک متعارف برای مدت طولانی به بازارهای بسته بندی و صنعتی با ساختارهای ساخته شده از سه، پنج یا هفت لایه پلیمری متمایز خدمت کرده است. نوآوری اکستروژن مشترک لایه ریز اساساً این الگو را با ضرب تعداد متوسطی از جریان‌های ورودی در معماری‌های ورقه‌ای شامل صدها - حتی هزاران - لایه نانومقیاس متناوب، مختل می‌کند. نتیجه یک دسته از ورق های چند لایه با خواص مانع، رفتارهای نوری و ویژگی های مکانیکی است که به سادگی نمی توان از طریق روش های لایه بندی سنتی به دست آورد.
گسترده تر روندهای صنعت اکستروژن پلاستیک تایید می کند که فناوری ضرب لایه از آزمایشگاه های تحقیقاتی دانشگاه به تولید تجاری منتقل شده است، با تولید کنندگان تجهیزات علاقه فزاینده مبدل هایی که به دنبال تمایز از طریق عملکرد نانولایه هستند.
نوآوری اکستروژن مشترک لایه میکرو: چگونه کار می کند
مکانیسم اصلی در پشت فیدبلوک هم اکستروژن ضریب لایه است. به جای انباشتن اکسترودرهای اضافی برای افزودن لایه‌های بیشتر، یک ضرب‌کننده خروجی را از یک بلوک استاندارد می‌گیرد - که ممکن است دو یا سه مذاب پلیمری را در یک ساختار پنج یا هفت لایه ترکیب کند - و به طور مکرر آن جریان را در قالب شکافته و دوباره ترکیب می‌کند.
هر عملیات تقسیم تعداد لایه ها را دو برابر می کند. یک مرحله چند برابری یک ساختار 3 لایه را به 6 لایه تبدیل می کند. دو مرحله 12 را تولید می کند. سه مرحله 24 را به دست می دهد. با آبشاری عناصر چند برابری، فناوری به 128، 256، 512 یا بیشتر می رسد - همه از همان پیکربندی اکسترودر اولیه.
ضخامت لایه جداگانه در 128 لایه از یک ورق کل 1.0 میلی متر بسته به نسبت مواد، در محدوده 5-15 میکرومتر قرار می گیرد. در 1024 لایه، هر رابط پلیمری تنها 0.5-2.0 میکرومتر از هم جدا می شود. در این ابعاد رفتار مادی تغییر می کند. زنجیره‌های پلیمری در رابط‌های لایه شروع به جهت‌گیری می‌کنند که مسیرهای انتشار گازها و نور را تغییر می‌دهد.
ورق چند لایه: تقویت مانع از طریق ساختار نانولایه
حرکت پشت سر توسعه هم اکستروژن ورق چند ماده ای سرعت گرفته است زیرا مبدل ها تشخیص می دهند که لایه بندی میکرو پنجره های عملکردی را باز می کند که قبلاً فقط از طریق خانواده مواد کاملاً متفاوت یا فرآیندهای پوشش گران قیمت قابل دسترسی بودند.
مهم‌ترین کاربرد تجاری اکستروژن ریز لایه در بهبود سد گاز است. در ورق چند لایه معمولی، عملکرد مانع در درجه اول به ضخامت و خواص ذاتی یک لایه مانع اختصاصی - معمولاً EVOH یا PA بستگی دارد. با افزایش ضخامت لایه سد، نرخ انتقال اکسیژن به صورت خطی (کم یا بیشتر) کاهش می یابد.
ساختارهای ریز لایه رفتار متفاوتی دارند. هنگامی که لایه‌های متناوب یک پلیمر مانع و یک پلیمر ساختاری پشت سر هم قرار می‌گیرند، مولکول‌های گازی که تلاش می‌کنند به ورق نفوذ کنند با یک مسیر پرپیچ‌وخم مواجه می‌شوند. هر رابط پلیمری مولکول در حال انتشار را مجبور به تغییر جهت می کند. با صدها رابط، طول مسیر انتشار موثر به طور چشمگیری افزایش می یابد - بسیار فراتر از آنچه که یک لایه مانع ضخیم ایجاد می کند.
نتایج کمی از تاسیسات تجاری بهبود سد اکسیژن را 5-10 برابر در مقایسه با ساختارهای 3-7 لایه معمولی با استفاده از همان مقدار کل رزین مانع نشان می‌دهد. برای مبدل‌های بسته‌بندی مواد غذایی، این به طور مستقیم به ماندگاری طولانی‌تر، گیج‌های کلی نازک‌تر، یا توانایی جایگزینی مواد بازدارنده کم‌هزینه برای گریدهای گران قیمت EVOH ترجمه می‌شود.
اثر مسیر پرپیچ و خم همچنین عملکرد مانع بخار رطوبت را افزایش می دهد، اگرچه میزان بهبود به طور قابل توجهی با انتخاب جفت مواد متفاوت است. پشته‌های نانولایه PP / EVOH رفتار بخار آب متفاوتی را نسبت به ترکیبات PP /PA نشان می‌دهند، برای مثال، انتخاب مواد را به یک تصمیم مهندسی حیاتی تبدیل می‌کنند.
ویژگی های نوری و جلوه های بصری منحصر به فرد
فراتر از عملکرد مانع، اکستروژن ریز لایه، جلوه‌های نوری را ممکن می‌سازد که علاقه قابل‌توجهی به بسته‌بندی، علامت‌گذاری و کاربردهای تخصصی ایجاد کرده است. هنگامی که ضخامت لایه های جداگانه به طول موج نور مرئی (تقریبا 400-700 نانومتر) نزدیک می شود، پدیده تداخل رخ می دهد.
کنترل دقیق توزیع ضخامت لایه در پشته ریز لایه تولید می کند:
اثرات سطحی رنگین کمانی یا مرواریدی بدون رنگدانه یا پوشش
بازتاب نور انتخابی که می تواند برای افزایش دید محصول در قفسه های خرده فروشی تنظیم شود
مدولاسیون مه و شفافیت که به مبدل ها اجازه می دهد تا خواص نوری را در محدوده وسیعی بدون تغییر پلیمر پایه مشخص کنند.
این قابلیت های نوری به ویژه در بسته بندی های درجه یک که تمایز اهمیت دارد، ارزشمند هستند. یک ظرف غذای شفاف که تحت شرایط نوری مختلف رنگ را به طور نامحسوس تغییر می دهد، کیفیتی را ایجاد می کند که گرافیک چاپ شده به تنهایی نمی تواند به آن دست یابد.
چالش های پردازش همزمان اکستروژن میکرو لایه
تولید صدها نانولایه یکنواخت، پیچیدگی‌های پردازشی را معرفی می‌کند که به‌طور عمده با اکستروژن مشترک معمولی متفاوت است. یکنواختی لایه در عرض ورق به طور قابل توجهی خواستار می شود. یک عدم تعادل جزئی جریان در بلوک تغذیه - قابل تحمل در ساختار 5 لایه - در هر مرحله ضرب ترکیب می شود و به طور بالقوه تغییرات ضخامت چشمگیری را در 128 یا 256 لایه ایجاد می کند.
تطبیق ویسکوزیته بین پلیمرها حتی اهمیت بیشتری دارد. اگر ویسکوزیته مذاب لایه های مجاور بیش از 3:1 متفاوت باشد، ناپایداری های سطحی در طول ضرب ایجاد می شود. این ناپایداری‌ها به صورت عدم یکنواختی لایه، تجمع لبه‌های قالب یا حتی شکسته شدن لایه آشکار می‌شوند - نقص‌هایی که هم مزایای نوری و هم مزایای مانع ساختار میکرولایه را از بین می‌برند.
دقت کنترل دما نیز سفت می شود. کانال های مذاب باریک در عناصر چند برابر کننده، جرم حرارتی کمی را برای نوسانات دما بافر باقی می گذارند. کنترل ناحیه بشکه در دمای 1 درجه سانتیگراد معمولاً مورد نیاز است، در مقایسه با تحمل 3-5 درجه سانتیگراد که در اکستروژن استاندارد استاندارد قابل قبول است.
اکستروژن ریز لایه نشان دهنده پیشرفت قابل توجهی در فناوری ورق های چند لایه است و ساختارهایی با صدها یا هزاران نانولایه متناوب ایجاد می کند که خواص مانع افزایش یافته و اثرات نوری منحصر به فرد را با هم اکستروژن معمولی غیرممکن می کند. JWELL فن‌آوری خرده‌لایه‌ای را توسعه داده است که یک ساختار چند لایه استاندارد را به 128 تا 1024 لایه متناوب در قالب ضرب می‌کند و ورقه‌ای با بهبود مانع اکسیژن 5 تا 10 برابر در مقایسه با ساختارهای 3 تا 7 لایه معمولی تولید می‌کند - قابلیتی که برای بسته‌بندی مواد غذایی با مانع بالا و برنامه‌های غذایی با مانع خاص استفاده می‌شود.
سوالات متداول
اکستروژن ریز لایه در واقع چند لایه می تواند ایجاد کند؟ سیستم های تجاری موجود بین 64 تا 1024 لایه است. حد بالایی عملی به ترکیب مواد، ضخامت کل ورق و دقت سیستم توزیع مذاب بستگی دارد. نشانگرهای تحقیقاتی از 10000 لایه فراتر رفته اند، اما تولید صنعتی معمولاً بین 128 تا 512 لایه عمل می کند.
آیا هم اکستروژن میکرولایه به اکسترودرهای بیشتری نسبت به هم اکستروژن معمولی نیاز دارد؟ خیر. تعداد لایه ها در قالب ضرب می شود، نه با افزودن اکسترودرها. یک خط ریز لایه معمولی از همان تعداد اکسترودر استفاده می کند که یک خط چند لایه معمولی - اغلب دو یا سه - با ضرب در پایین دست بلوک خوراکی اتفاق می افتد.
چه پلیمرهایی در ساختارهای ریز لایه بهتر عمل می کنند؟ موفق‌ترین برنامه‌های تجاری، یک پلیمر ساختاری ( PP ، PE ، PS ) را با یک پلیمر مانع یا عملکردی ( EVOH ، PA، PVDC) جفت می‌کنند. شرط اصلی این است که ویسکوزیته مذاب به طور معقولی در دمای پردازش مطابقت داشته باشد تا یکپارچگی لایه از طریق ضرب حفظ شود.
آیا تولید ورق میکرولایه گرانتر است؟ هزینه های هر کیلوگرم مواد با ورق چند لایه معمولی قابل مقایسه است زیرا حجم کل پلیمر یکسان مورد استفاده قرار می گیرد. هزینه های تجهیزات به دلیل قالب تخصصی و ابزار چند برابر بیشتر است. توجیه اقتصادی معمولاً مبتنی بر مزایای عملکرد - سنج های نازک تر، مانع بهتر، یا اثرات نوری برتر - است که سرمایه گذاری سرمایه را توجیه می کند.
