如何保證無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中涂膠和混膠的均勻性？

伍秋濤

涂膠均勻、混膠均勻、張力穩(wěn)定是無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中的三大核心技術(shù)要求。關(guān)于無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中的張力控制，筆者已于2016年8期《印刷技術(shù)-包裝裝潢》之“無溶劑復(fù)合張力控制的張力與選擇”一文中做過詳細(xì)介紹。本文中，筆者從節(jié)約成本的角度出發(fā)，介紹如何保證無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中涂膠和混膠的均勻性，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前無溶劑復(fù)合產(chǎn)品功能性要求的提高，為順利換膠、降低成本、提高生產(chǎn)效率作保障。

涂膠均勻性分析

1.涂膠均勻的經(jīng)濟(jì)意義

關(guān)于涂膠均勻性在無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中的經(jīng)濟(jì)意義，筆者通過以下數(shù)據(jù)分析進(jìn)行成本對(duì)比。

假設(shè)1.50g/m2的涂膠量是軟包裝復(fù)合外觀及剝離強(qiáng)度的最低要求。

無溶劑復(fù)合設(shè)備A的涂膠均勻性為±10%，則其所需的平均涂膠量為1.67g/m2，即局部最低點(diǎn)的涂膠量為1.50g/m2，局部最高點(diǎn)的涂膠量為1.84g/m2（在平均涂布量的基礎(chǔ)上放大10%～15%）。

無溶劑復(fù)合設(shè)備B的涂膠均勻性為±5%，則其所需的平均涂膠量為1.58g/m2，即局部最低點(diǎn)的涂膠量為1.50g/m2，局部最高點(diǎn)的涂膠量為1.66g/m2。

也就是說，相同的軟包裝復(fù)合產(chǎn)品，采用設(shè)備A要比設(shè)備B每平方多出1.67-1.58=0.09g/m2的涂膠量，即要多耗用5.7%的無溶劑膠黏劑。

以一臺(tái)無溶劑復(fù)合設(shè)備平均4.0噸/月的用膠量進(jìn)行計(jì)算，設(shè)備A一年則要多用4.0×12×5.7%=2.736噸的膠黏劑，以無溶劑膠黏劑單價(jià)23元/千克計(jì)算，則直接成本損失為2.736×1000×23=62928元，5年的直接經(jīng)濟(jì)損失將近32萬元。

市面上還有一些無溶劑復(fù)合設(shè)備的涂膠均勻性只能達(dá)到±15%，這樣的設(shè)備雖然采購成本相對(duì)較低，但往往意味著更多的無溶劑膠黏劑使用量，所以說低價(jià)不等于經(jīng)濟(jì)。

2.質(zhì)量損失

我國大部分軟包裝設(shè)計(jì)往往采用較多的大色塊，以色墨疊印白墨為主，同時(shí)有些部位還有鏤空設(shè)計(jì)，這樣的圖案設(shè)計(jì)反而會(huì)增加無溶劑復(fù)合的難度。

以圖1所示的軟包裝樣品為例，在無溶劑復(fù)合生產(chǎn)中，假設(shè)該樣品紅墨與白墨疊印部位所需的最低涂膠量為1.5g/m2，在透明部分只需1.0g/m2的涂膠量就可滿足外觀及強(qiáng)度要求。當(dāng)涂膠量過多時(shí)，透明部分就會(huì)出現(xiàn)膠紋現(xiàn)象（透明度降低），甚至出現(xiàn)氣泡。所以，如果分別采用上文提到的無溶劑復(fù)合設(shè)備A（局部最高點(diǎn)的涂膠量為1.84g/m2）和無溶劑復(fù)合設(shè)備B（局部最高點(diǎn)的涂膠量為1.66g/m2）生產(chǎn)該樣品，從透明度進(jìn)行對(duì)比，設(shè)備A生產(chǎn)的復(fù)合膜會(huì)明顯低于設(shè)備B生產(chǎn)的復(fù)合膜。而所用膠黏劑的黏度越低，復(fù)合膜產(chǎn)生的膠紋現(xiàn)象就越明顯?？梢姡磕z均勻性差的設(shè)備，對(duì)軟包裝復(fù)合質(zhì)量的影響更加明顯。關(guān)鍵是其無法有效兼顧復(fù)合膜疊色處及透明處的質(zhì)量要求。面對(duì)這種情況，有些行業(yè)人士會(huì)采取提高平均涂膠量的方法，這不僅不能提高復(fù)合質(zhì)量，反而會(huì)使涂膠成本大幅增加。此外，增加無溶劑復(fù)合涂膠量，對(duì)于PE結(jié)構(gòu)復(fù)合膜來說還存在摩擦系數(shù)增加、抗封故障等技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

涂膠均勻性的技術(shù)保障措施

1.采用五輥涂布系統(tǒng)

五輥涂布系統(tǒng)是我國無溶劑復(fù)合設(shè)備的通用結(jié)構(gòu)，如圖2所示。主要有計(jì)量鋼輥R1（固定計(jì)量鋼輥）、轉(zhuǎn)移鋼輥R2（轉(zhuǎn)動(dòng)計(jì)量鋼輥）、轉(zhuǎn)移膠輥R3、涂布鋼輥R4、涂布膠輥R5。其中，R1在無溶劑復(fù)合生產(chǎn)過程中始終是固定不動(dòng)狀態(tài)，其與R2以及兩輥側(cè)邊的可調(diào)膠堵機(jī)構(gòu)組成了一個(gè)存膠裝置，用于儲(chǔ)存無溶劑膠黏劑。在停機(jī)擦洗滾筒或清除異物時(shí)，可手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)膠料輥。其中，R5和R3為橡膠輥，用于減少生產(chǎn)時(shí)R3與R2和R4之間的摩擦，降低摩擦熱，從而有效避免膠黏劑的“蒸騰起霧”現(xiàn)象。

通過不斷調(diào)節(jié)各輥之間的速差，可保證低涂膠量的精度。為了使膠黏劑在涂布輥上形成均勻的膠膜，必須給計(jì)量輥和轉(zhuǎn)移輥設(shè)定不同的線速度，而且與涂布輥的線速度也是不同的，要低于涂布輥的線速度（即主機(jī)線速度），如R3與R4之間合理的線速度比應(yīng)為0.25。而無溶劑膠黏劑涂布量的改變，取決于轉(zhuǎn)移輥與涂布輥之間的線速度比。某進(jìn)口無溶劑復(fù)合設(shè)備轉(zhuǎn)移輥與涂布輥線速度比與對(duì)應(yīng)的涂膠量如表1。

對(duì)于使用減速電機(jī)齒輪皮帶連接方式的無溶劑復(fù)合設(shè)備來說，R2與R3的線速度比是定值，也就是說R3的表面速率隨涂膠量的變化而變化，而涂膠量不同時(shí)，R3與R4的線速度比也不同，但如果采用獨(dú)立伺服控制、無溶劑復(fù)合設(shè)備則不存在這個(gè)問題?？梢?，R3與R4合理的線速度比是保證五輥涂布系統(tǒng)涂膠均勻性的重要因素。

2.精準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)量間隙

隨著我國設(shè)備加工水平的不斷提高，設(shè)備零部件的加工精度也得以大幅提升，五輥涂布系統(tǒng)中R1、R2、R4的表面光潔度可達(dá)到±0.0002mm，同心度可達(dá)到±0.005mm。由于R1是固定不轉(zhuǎn)的，在不考慮裝配誤差的情況下，理論上來講，靜態(tài)計(jì)量間隙的偏差直接取決于R2的同心度偏差。而裝配誤差的影響因素較多，總體取決于設(shè)備制造企業(yè)的機(jī)械加工水平及裝配水平，如墻板的數(shù)控加工精度、軸承精度、裝配水平度、裝配精度等。

3.排除影響動(dòng)態(tài)計(jì)量間隙的因素

（1）R2的受壓及R3的振動(dòng)

無溶劑復(fù)合設(shè)備運(yùn)行過程中，R3是傳遞壓力的，因此R2受到來自R3的壓力時(shí)會(huì)發(fā)生形變，因此施加在R3上的壓力不宜過大。R2足夠的剛性可以減少外加壓力引起的變形量，減少與其他輥之間的間隙變化。

在無溶劑復(fù)合設(shè)備加工時(shí)，由于R2、R3、R4都存在一定的同心度偏差，在無溶劑復(fù)合設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)R3不可避免地會(huì)發(fā)生振動(dòng)（這還與R3上壓力時(shí)大時(shí)小有關(guān)），從而直接影響R3的傳膠均勻性。各輥良好的同心度及動(dòng)平衡，可以減少振動(dòng)引起的涂膠不均問題，提高各輥的耐用性。

（2）計(jì)量輥溫度穩(wěn)定性

計(jì)量輥直徑為175mm，溫度每相差1℃，就會(huì)產(chǎn)生2.1μm的計(jì)量間隙偏差。而且溫差越大，計(jì)量間隙偏差就越大，輕則計(jì)量不準(zhǔn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致輥面損傷?？梢娪?jì)量輥所用模溫機(jī)的加熱穩(wěn)定性尤其關(guān)鍵，顯示溫度必須與設(shè)定溫度一致，而且其在工作時(shí)間段內(nèi)的溫度波動(dòng)應(yīng)<±1℃。

在無溶劑復(fù)合設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)間后，如果計(jì)量輥內(nèi)部循環(huán)水管路發(fā)生半堵塞，就會(huì)出現(xiàn)計(jì)量輥?zhàn)笥覝囟炔灰恢碌膯栴}，表現(xiàn)為升溫預(yù)熱時(shí)間延長(zhǎng)。最嚴(yán)重的情況是，在間隙調(diào)整時(shí)計(jì)量輥?zhàn)笥覂蓚?cè)溫度是一致的（且與設(shè)定溫度一致），在開機(jī)過程中左右兩側(cè)溫度出現(xiàn)偏差，從而導(dǎo)致計(jì)量間隙兩側(cè)不一致，兩側(cè)涂膠量均勻性也隨之變化，最直接的后果就是收卷不齊。

（3）擋膠塊的加壓

擋膠塊的壓力相當(dāng)于將已調(diào)整好的計(jì)量間隙撐開的力，不適當(dāng)?shù)膲毫︼@然會(huì)改變已調(diào)整好的計(jì)量間隙。目前，加在擋膠塊上的壓力主要為加壓橫杠的自重，考慮到還有一定的機(jī)械鎖緊力，則該力值不可過大。

（4）擋膠塊邊緣滲膠問題

擋膠塊邊緣的滲膠隨著時(shí)間延長(zhǎng)，其黏度會(huì)快速增加，R3轉(zhuǎn)動(dòng)的阻力也會(huì)隨之增加，計(jì)量間隙變大，從而造成涂膠量產(chǎn)生變化，偏離預(yù)設(shè)值。

此外，目前無溶劑復(fù)合設(shè)備涂膠部位通常設(shè)計(jì)為封閉式運(yùn)行，這使得擋膠塊邊緣的滲膠清理起來比較麻煩，如果在開機(jī)運(yùn)行中進(jìn)行擦除清理，存在很大的安全隱患；如果停機(jī)清理，則會(huì)導(dǎo)致廢品率上升，效率下降。

因此，要從根本上了解造成滲膠的主要因素，才能真正解決滲膠問題，對(duì)此，筆者總結(jié)了以下3個(gè)因素。

①R1與R2的加工精度差。表現(xiàn)為直徑偏差和同心度偏差，直徑偏差較大時(shí)，與擋膠塊弧面接觸間隙增加；同心度偏差較大時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)各部位與擋膠塊弧面的接觸間隙不穩(wěn)定。兩者的間隙變化就為小分子無溶劑膠黏劑發(fā)生滲膠創(chuàng)造了條件。

②擋膠塊的加工精度差。直接影響擋膠塊弧面與鋼輥表面的接觸間隙是否緊密。

③計(jì)量間隙調(diào)節(jié)準(zhǔn)確性及實(shí)際間隙變化。擋膠塊按標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量間隙進(jìn)行尺寸加工，因此計(jì)量間隙的變化也會(huì)直接影響擋膠塊弧面與鋼輥表面的接觸是否緊密。

（5）計(jì)量間隙鎖緊機(jī)構(gòu)的可靠性

計(jì)量間隙調(diào)整好后，計(jì)量鋼輥的鎖緊方式有兩種，一是機(jī)械鎖緊，二是氣壓力鎖緊。如果計(jì)量鋼輥的鎖緊機(jī)構(gòu)不可靠，則在外力（如擋膠塊加壓、邊緣滲膠擠壓）作用下都易引起計(jì)量間隙的變化。

（6）長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性

R1、R2、R4要有足夠的剛性，避免長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)受壓出現(xiàn)形變。R2與R4的表面采用鍍陶瓷工藝，表面耐磨性會(huì)成倍增加，理論壽命是表面鍍鉻的10倍。有些鍍鉻轉(zhuǎn)移鋼輥在使用2～3年后，表面就出現(xiàn)了掉鉻問題，如此便難以保證原有的計(jì)量間隙精度。

（7）擋膠塊附近的涂膠穩(wěn)定性

無溶劑A/B膠（混合后的溫度為35～45℃）在擋膠塊附近會(huì)出現(xiàn)黏度上升的現(xiàn)象，直觀表現(xiàn)為發(fā)白、產(chǎn)生氣泡，此時(shí)轉(zhuǎn)移涂布到薄膜上的膠量會(huì)明顯降低（因?yàn)闅馀菡加幸欢w積）。同時(shí)，膠液與空氣中的水蒸氣接觸后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，消耗了一部分-NCO基團(tuán)，嚴(yán)重時(shí)表現(xiàn)為復(fù)合膜邊緣不固化、剝離強(qiáng)度低等問題。

混膠均勻性分析

1.混膠均勻的意義

薄膜用無溶劑膠黏劑由兩組聚氨酯預(yù)聚體組成，在使用時(shí)將兩個(gè)組分均勻混合在一起，靠相互反應(yīng)形成大分子而達(dá)到交聯(lián)固化。雙組分無溶劑聚氨酯膠黏劑A組分一般為聚異氰酸酯預(yù)聚物（一般含有-NCO基團(tuán)），B組分一般為羥基封端的預(yù)聚體。

A組分和B組分無溶劑膠黏劑，經(jīng)齒輪泵按比例定量輸出，再經(jīng)靜態(tài)混合器被分散為A膠、B膠分子級(jí)接觸狀態(tài)，經(jīng)涂布在薄膜上發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，達(dá)到固化粘接的目的。

不同生產(chǎn)廠家、不同型號(hào)的無溶劑膠黏劑中A膠與B膠的標(biāo)準(zhǔn)配比量也不一致，但總體上來說，-NCO∶-OH的最佳反應(yīng)配比都有規(guī)律可循。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，-NCO∶-OH小于1.32時(shí)，存在不固化的風(fēng)險(xiǎn)。正常情況下，無溶劑膠黏劑發(fā)黏時(shí)，基本是由雙組分膠黏劑配比失調(diào)引起的。只有保證膠液中-NCO與-OH的配比在合理范圍內(nèi)，且A膠、B膠達(dá)到分子級(jí)的接觸狀態(tài)，才能發(fā)生完全交聯(lián)固化反應(yīng)，達(dá)到粘接目的。由此可見，混膠均勻性也是保證無溶劑復(fù)合質(zhì)量的核心技術(shù)關(guān)鍵。

局部不干是無溶劑復(fù)合中遇到的最難解決的質(zhì)量問題之一，其特點(diǎn)是隨機(jī)出現(xiàn)、很難挑選，且產(chǎn)品疊放不齊，容易出現(xiàn)翹角等問題，如圖3所示。局部不干問題的根本原因在于局部A膠、B膠的配比失調(diào)。

2.關(guān)鍵技術(shù)保障

為了更加有效地避免混膠不均勻的問題，建議應(yīng)結(jié)合當(dāng)前的機(jī)械動(dòng)力新技術(shù)，對(duì)無溶劑復(fù)合混膠設(shè)備進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。

（1）采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)

無溶劑復(fù)合屬于間歇式供膠，需要頻繁啟動(dòng)與停止混膠設(shè)備，這就需要一些技術(shù)要點(diǎn)，即出膠同步性要高；精度高，保證A膠、B膠的輸送比例；停止泵膠同步性要高。而采用伺服電機(jī)則能很好地滿足上述3個(gè)技術(shù)要求。

當(dāng)沒有控制電壓時(shí)，伺服電機(jī)的定子內(nèi)只有勵(lì)磁繞組產(chǎn)生的脈動(dòng)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子靜止不動(dòng)；當(dāng)有控制電壓時(shí)，伺服電機(jī)的定子內(nèi)便產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子沿旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方向旋轉(zhuǎn)。一般在負(fù)載恒定的情況下，伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速隨控制電壓的大小變化而變化，當(dāng)控制電壓的相位相反時(shí)，伺服電機(jī)將反轉(zhuǎn)。

普通電機(jī)在斷電后，因?yàn)樽陨響T性還會(huì)再運(yùn)轉(zhuǎn)一會(huì)兒才能停下。而伺服電機(jī)不存在普通電機(jī)的慣性轉(zhuǎn)動(dòng)，說停就停，說走就走，反應(yīng)極快，將其應(yīng)用在無溶劑復(fù)合混膠設(shè)備上，優(yōu)點(diǎn)便得以凸顯。精度：實(shí)現(xiàn)了位置、速度和力矩的閉環(huán)控制，克服了步進(jìn)電機(jī)失步的問題；及時(shí)性：加/減速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短，一般在幾十毫秒之內(nèi)，適用于有高速響應(yīng)要求的生產(chǎn)場(chǎng)合。

（2）氣閥開關(guān)同步

氣閥先于齒輪泵轉(zhuǎn)動(dòng)前開啟，而在齒輪泵停止泵膠后再關(guān)閉，要確保A膠與B膠膠管氣閥開關(guān)的同步性。由于泵膠前膠管壓力都很低，且A膠與B膠膠管壓力處于平衡狀態(tài)，氣閥開啟不同步，并不會(huì)發(fā)生膠液自然溢流的現(xiàn)象。但在停止泵膠后，由于A膠與B膠管路都有殘留壓力，如果A膠與B膠關(guān)閉不同步，肯定會(huì)造成A膠與B膠的自然溢流量不成比例，進(jìn)而導(dǎo)致局部不干的問題。

（3）其他

出膠壓力與出膠孔的截面面積大小成正比，一般情況下，A膠的黏度都比B膠大，且A膠量較B膠量大（少數(shù)情況下也會(huì)出現(xiàn)B膠量比A膠量多），將A膠出膠孔直徑設(shè)計(jì)得比B膠出膠孔大一些，可降低A膠管路與B膠管路的出膠壓力比。這也是影響膠黏劑局部不干的一個(gè)潛在因素，但通常會(huì)被大家忽略。