CN102896785B - 一种聚乙烯薄膜改性装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种聚乙烯薄膜改性装置，依次包括放卷装置、前牵引装置、电子束辐照装置、后牵引装置、收卷装置，以及用于控制所述各装置并接收所述各装置反馈信号的控制装置；所述放卷装置和收卷装置分别用于送出和收回所述聚乙烯薄膜，所述前后牵引装置用于引导所述聚乙烯薄膜的输送，所述电子束辐照装置用于照射经过其中的聚乙烯薄膜并使其改性；本发明提供的一种聚乙烯薄膜改性装置，可以缩短辐照交联改性的时间，通过调节电子加速器的辐照高压，改变辐照穿透深度，从而实现聚乙烯薄膜半交联改性或者梯度交联改性。

Description

一种聚乙烯薄膜改性装置

技术领域

本发明涉及材料改性技术领域，特别是指一种聚乙烯薄膜改性装置。

背景技术

聚乙烯薄膜在软包装的多层结构中被用作最内层（热封层），在一些直立袋中起支撑层的作用，由于其拉伸强度（抗张强度）低、易变形，因此需要较大的厚度（30-70微米）才能满足加工和包装的要求；这样造成聚乙烯在软包装总重量中占40%以上，厚度占40-60%，成本占复合膜总成本的50%左右。

为了提高低密度聚乙烯（LDPE）的抗张强度，降低聚乙烯薄膜厚度和用量，目前国际上普遍以改性聚乙烯树脂生产聚乙烯薄膜，以LDPE为主料、共混一部分高密度聚乙烯（HDPE）和线性低密度聚乙烯（LLDPE）树脂改性LDPE，或者直接采用多层共挤工艺生产聚乙烯薄膜，即使使用改性聚乙烯薄膜，其厚度也需要在30-50微米左右，才能满足复合工艺的要求，否则很容易出现质量问题。如何提高聚乙烯的力学性能，降低薄膜厚度，降低聚乙烯用量，降低包装成本，实现包装减量化，是各国包装界学者研究的主要课题之一。

提高聚乙烯力学性能的方法有许多，主要有共混改性、辐照交联改性等。与熔融共混相比，辐照改性的耗能低，对薄膜无污染，美国和欧盟也允许在一定剂量下的辐照改性高分子可以直接接触食品，且通过大量的研究表明，辐照后的聚乙烯会形成体型结构，进而提高了拉伸强度，但辐照后薄膜的韧性降低，热封性能也会受到影响。如何能够通过辐照改性工艺提高LDPE薄膜的拉伸强度，又不影响其韧性和热封性能，这是研究聚乙烯辐照改性遇到的难题之一。

聚乙烯薄膜交联改性一般采用150—200keV的低能电子加速器进行辐照，低能电子加速器按照结构一般分为扫描型和电子帘型。国内低能电子加速器普遍采用扫描型结构，这种结构的电子加速器体积大、效率低、速度慢、需增加屏蔽装置。电子帘型电子加速器在美国、日本等发达国家已获得了应用，在国内只在极少数国外独资与合资企业获得了应用，全部为国外制造，现有的产品其电压和流强不能连续可调，不能实现聚乙烯薄膜的可控交联改性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种聚乙烯薄膜改性装置，针对现有装置和工艺存在的不足，对现有技术进行改进，实现了一种辐照穿透厚度可调、和/或自屏蔽的电子束辐照系统，可对聚乙烯薄膜进行半交联改性。

基于上述目的本发明提供的一种聚乙烯薄膜改性装置，依次包括放卷装置、前牵引装置、电子束辐照装置、后牵引装置、收卷装置，以及用于控制所述各装置并接收所述各装置反馈信号的控制装置；所述放卷装置和收卷装置分别用于送出和收回所述聚乙烯薄膜，所述前后牵引装置用于引导所述聚乙烯薄膜的输送，所述电子束辐照装置用于照射经过其中的聚乙烯薄膜并使其改性。

在一个实施例中，所述电子束辐照装置包括真空室、灯丝组件、束流发射窗口、及束流控制装置；所述束流控制装置控制所述灯丝组件发射束流，经所述束流发射窗口照射到所述聚乙烯薄膜上使其改性。

在另一个实施例中，所述灯丝组件包括反射极、长灯丝、引出栅极、和终端栅极。

在另一个实施例中，所述束流发射窗口包括窗框、钛金属膜、长条形窗口；所述窗框将钛金属膜固定住。

在另一个实施例中，所述电子束辐照装置具有自屏蔽功能。

在另一个实施例中，所述电子束辐照装置的辐照能量的调节范围为150-200keV；所述电子束辐照装置的束流的连续调节范围为5-20mA；所述电子束辐照装置的辐照厚度的连续调节范围为5-30μm。

在另一个实施例中，所述控制系统包括主控制器、至少一个张力控制器、至少一个变频器、以及至少一个驱动电机。

在另一个实施例中，所述张力控制器包括摆辊、张力传感器、和控制器。

在另一个实施例中，所述控制系统包括前张力控制器、前牵引装置变频器、前牵引装置驱动电机、后牵引装置变频器、后牵引装置驱动电机、后张力控制器、收卷装置变频器、收卷装置驱动电机。

在另一个实施例中，所述控制系统还包括放卷装置变频器、放卷装置驱动电机。

从上述可以看出，与其它聚乙烯薄膜电子束辐照交联改性装置相比，使用本发明所提供的聚乙烯薄膜改性装置对聚乙烯薄膜进行辐照交联改性，通过调节电子束辐照装置的辐照高压，改变辐照穿透深度，从而实现聚乙烯薄膜半交联改性或者梯度交联改性。进一步的，本发明所提供的聚乙烯薄膜改性装置，为了使聚乙烯薄膜运行顺畅，安装有前后牵引装置，前后牵引装置通过前后牵引装置驱动电机驱动，使牵引辊（参照附图1中的前牵引辊31和后牵引辊51）加速，牵引聚乙烯薄膜运动。更进一步的，为了使聚乙烯薄膜在一定的平直度下进行辐照交联改性，以便获得均匀的交联反应，聚乙烯薄膜在运行过程中应保持恒定的张力，避免其在运动过程中产生纵向皱纹或拉断现象，因此，在放卷装置与前牵引装置之间应安装前张力控制器，通过前摆辊检测薄膜前部张力，通过前控制器反馈张力信号到主控制器，并通过主控制器控制前牵引装置变频器，控制前牵引装置驱动电机转速，从而控制薄膜张力，实现闭环控制。与放卷侧相对应，收卷侧对应安装有后牵引装置，后张力控制器控制收卷侧（即聚乙烯薄膜后部）的张力，仍然采用摆辊作为张力传感器，装置与前张力控制器完全相同，保证收卷侧的张力恒定。

优选的，本发明提供的电子束辐照装置采用电子帘型电子加速器，通过电子帘型电子加速器产生的高能量的电子束照射到聚乙烯薄膜上，产生高分子自由基，然后这些高分子自由基互相结合形成交联键。可以在常温下实现交联，不需要加热，不用化学交联剂，所以没有任何化学残留，产品纯净，符合节能环保的要求，由于交联时间短，在数秒内可完成交联反应，可以缩短辐照交联改性的时间，通过调节电子加速器高压，可实现聚乙烯薄膜的半交联改性。

附图说明

图1是本发明公开的一种聚乙烯薄膜改性装置的实施例结构示意图；

图2是本发明实施例中电子束辐照装置的原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

半交联改性，是指使电子束只穿透低密度聚乙烯（LDPE）薄膜的一半厚度，让LDPE上半层发生交联，提高LDPE的抗张强度，而下半层没有受到辐照交联，保持LDPE原有韧性和热封性能。

本发明所公开的一种聚乙烯薄膜改性装置，依次包括放卷装置、前牵引装置、电子束辐照装置、后牵引装置、收卷装置，以及用于控制所述各装置并接收所述各装置反馈信号的控制装置；所述放卷装置和收卷装置分别用于送出和收回所述聚乙烯薄膜，所述前后牵引装置用于引导所述聚乙烯薄膜的输送，所述电子束辐照装置用于照射经过其中的聚乙烯薄膜并使其改性。

参照附图1，为本发明公开的一种聚乙烯薄膜改性装置的实施例结构示意图。

所述的一种聚乙烯薄膜改性装置，依次包括放卷装置1、前牵引装置3、电子束辐照装置4、后牵引装置5、收卷装置7，以及用于控制所述各装置并接收所述各装置反馈信号的控制装置；所述放卷装置1和收卷装置7分别用于送出和收回所述聚乙烯薄膜8，所述前后牵引装置用于引导所述聚乙烯薄膜8的输送，所述电子束辐照装置4用于照射经过其中的聚乙烯薄膜8并使其改性。

所述控制装置，包括主控制器、放卷装置变频器、放卷装置驱动电机、前张力控制器2、前牵引装置变频器、前牵引装置驱动电机、后牵引装置变频器、后牵引装置驱动电机、后张力控制器6、收卷装置变频器、收卷装置驱动电机。

所述放卷装置1中安装有连续输送聚乙烯薄膜8的放卷辊11，所述放卷辊11上装有驱动放卷辊转动的所述放卷装置驱动电机，所述放卷装置驱动电机由所述放卷装置变频器控制，所述放卷装置变频器由所述主控制器控制，可以调节所述放卷辊11的转速；所述收卷装置7的结构与放卷装置1的结构基本相同，在所述收卷装置7中装有连续输送聚乙烯薄膜8的收卷辊71和所述收卷装置驱动电机，所述收卷装置驱动电机用于驱动收卷辊71转动并拉动聚乙烯薄膜8运动，由所述收卷装置变频器控制所述收卷装置驱动电机的转速，所述收卷装置变频器则由所述主控制器控制。

可选的，在所述放卷装置1中也可以不安装所述放卷装置驱动电机，通过所述收卷装置驱动电机连续转动来实现放卷。

所述聚乙烯薄膜8在所述聚乙烯薄膜改性装置中的运动过程中，为了保证聚乙烯薄膜8改性反应正常进行及装置顺畅运转，要保持聚乙烯薄膜8的一定张力和运行速率，因此，所述聚乙烯薄膜改性装置中安装有前张力控制器2、后张力控制器6、前牵引装置3、前牵引装置变频器、前牵引装置驱动电机、后牵引装置5、后牵引装置变频器、后牵引装置驱动电机。

所述前张力控制器2设置在所述放卷装置1与前牵引装置3之间，所述前张力控制器2由前摆辊21、前张力传感器、及前控制器22组成，所述前摆辊21将聚乙烯薄膜运行过程中由于聚乙烯薄膜前部的张力而产生的机械变量传输到所述前张力传感器，所述前张力传感器将所述机械变量转换为电信号并传输给前控制器22，通过前控制器22传输给所述主控制器，所述主控制器将所述张力信号进行相应处理后，形成反馈信号发送给所述前牵引装置变频器，通过控制所述前牵引装置变频器从而控制所述前牵引装置驱动电机的转速，实现聚乙烯薄膜前部的张力控制。

所述后张力控制器6设置在所述放卷装置7与后牵引装置5之间，所述后张力控制器6由后摆辊61、后张力传感器、及后控制器62组成，所述后摆辊61将聚乙烯薄膜运行过程中由于聚乙烯薄膜后部的张力而产生的机械变量传输到所述后张力传感器，所述后张力传感器将所述机械变量转换为电信号并传输给后控制器62，通过后控制器62传输给所述主控制器，所述主控制器将所述张力信号进行相应处理后，形成反馈信号发送给所述后牵引装置变频器，通过控制所述后牵引装置变频器从而控制所述后牵引装置驱动电机的转速，实现聚乙烯薄膜后部的张力控制。

参考附图2，为本发明实施例中电子束辐照装置的原理图。

所述电子束辐照装置为电子帘型电子加速器，包括真空室9、灯丝组件10、束流发射窗口；所述灯丝组件10包括反射极11、长灯丝12、引出栅极13、终端栅极14；所述束流发射窗口包括窗框15、钛金属膜16、长条形窗口17，所述窗框15将钛金属膜16固定住。

所述真空室9为带铅屏蔽的不锈钢柱型筒，其为电子束的产生和传输提供一个真空环境，为了减少残余气体分子与电子间的散射作用，真空室9里的真空度一般应维持在2.7×10^-4Pa左右，通常通过一个真空泵将真空室9抽至要求的真空度后，封闭抽气口。所述电子束辐照装置还包括束流控制装置、高压电源、抽真空系统。

所述长灯丝12处于灯丝组件10的中间位置，为热发射阴极，通过电流加热在所述长灯丝12表面聚集一些电子，引出电极13与长灯丝12之间加负高压，电子挣脱长灯丝12表面形成电子束，电子束经过终端栅极14被高压加速，形成电子帘；反射极11的功能主要是为了抑制电子向相反方向运动。

所述真空室9正对所述聚乙烯薄膜的一侧开有一个长条形窗口17，上面蒙有钛膜16，窗框15将钛膜16固定住，形成束流发射窗口；所述束流发射窗口下方设置有一个包有铅皮的处理箱，处理箱中充满了保护性气体氮气，氮气可以克服空气中氧阻聚问题，高能电子束流穿过窗膜进入处理箱的氮气环境中，射到印刷品上，通过交联反应使印刷品快速固化。

所述抽真空系统对所述自屏蔽不锈钢圆柱型真空室9抽真空，接通所述高压电源，所述电子束辐照装置启动；所述真空室9内充入保护性气体氮气，通过所述束流控制装置控制所述长电子枪阴极12发射电子束流，经所述引出栅极13和终端栅极14引导后，通过所述窗框15、钛金属膜16、窗口17组成束流发射窗口照射到所述聚乙烯薄膜8上使其改性。所述电子束辐照装置可以通过调节电子束的辐照能量，控制电子束的辐照厚度，以及调节束流强度与聚乙烯薄膜8的运动速度相匹配，实现聚乙烯薄膜8的半交联改性或梯度交联改性。

较佳的，所述电子束辐照装置的辐照能量可以在150-200keV范围内进行调节。

进一步的，所述电子束辐照装置的束流在5-20mA范围内连续可调。

优选的，所述电子束辐照装置的辐照厚度在5-30μm范围内连续可调。

所述主控制器通过接收上述各驱动电机（如放卷装置驱动电机、前牵引装置驱动电机、后牵引装置驱动电机、收卷装置驱动电机等）的速度信号、前后张力控制器的张力信号，对所接收的信号进行相应处理并控制所述各驱动电机对应的变频器，从而起到控制整个装置运转的作用，使得所述主控制器可通过调节辐照穿透深度（也就是所述电子束辐照装置中的电子加速电压），还可以通过调节辐照功率、聚乙烯薄膜的运行速度等参数来调节并控制改性反应。例如，辐照穿透深度较深时，可以降低电子加速电压；当交联反应不充分时，可以增加辐照功率，或者降低运行速度。

参照附图1，聚乙烯薄膜的辐照交联改性过程简要叙述如下：

将聚乙烯薄膜8装在放卷装置1上，经前张力控制器2、前牵引装置3、电子束辐照装置4、后牵引装置5、后张力控制器6，然后由收卷装置7收卷。在束流控制装置的控制下，电子束辐照装置4开始工作产生高能量的电子束，并对运行到电子束辐照装置4内的聚乙烯薄膜8进行辐照。所述前后张力传感器检测聚乙烯薄膜8的张力、各驱动电机则动态检测聚乙烯薄膜8的传输速度，将检测到的实时数据经所述主控制器发送到所述束流控制装置，所述束流控制装置根据实测数据对电子束辐照装置4的电子加速电压、电子束辐照功率进行调节，同时所述主控制器通过控制各变频器对聚乙烯薄膜8的传输速度进行调节，最终完成交联改性过程。

优选的，所述主控制器与所述束流控制装置集成为一个可编程逻辑控制器（PLC）进行整个聚乙烯薄膜改性装置的总控，这样将会简化控制过程。

从上述可以看出，与其它聚乙烯薄膜电子束辐照交联改性装置相比，使用本发明所提供的聚乙烯薄膜改性装置对聚乙烯薄膜进行辐照交联改性，通过调节电子束辐照装置的辐照高压，改变辐照穿透深度，从而实现聚乙烯薄膜半交联改性或者梯度交联改性。进一步的，本发明所提供的聚乙烯薄膜改性装置，为了使聚乙烯薄膜运行顺畅，安装有前后牵引装置，前后牵引装置通过前后牵引装置驱动电机驱动，使牵引辊（参照附图1中的前牵引辊31和后牵引辊51）加速，牵引聚乙烯薄膜运动。更进一步的，为了使聚乙烯薄膜在一定的平直度下进行辐照交联改性，以便获得均匀的交联反应，聚乙烯薄膜在运行过程中应保持恒定的张力，避免其在运动过程中产生纵向皱纹或拉断现象，因此，在放卷装置与前牵引装置之间应安装前张力控制器，通过前摆辊检测薄膜前部张力，通过前控制器反馈张力信号到主控制器，并通过主控制器控制前牵引装置变频器，控制前牵引装置驱动电机转速，从而控制薄膜张力，实现闭环控制。与放卷侧相对应，收卷侧对应安装有后牵引装置，后张力控制器控制收卷侧（即聚乙烯薄膜后部）的张力，仍然采用摆辊作为张力传感器，装置与前张力控制器完全相同，保证收卷侧的张力恒定。

优选的，本发明提供的电子束辐照装置采用电子帘型电子加速器，通过电子帘型电子加速器产生的高能量的电子束照射到聚乙烯薄膜上，产生高分子自由基，然后这些高分子自由基互相结合形成交联键。可以在常温下实现交联，不需要加热，不用化学交联剂，所以没有任何化学残留，产品纯净，符合节能环保的要求，由于交联时间短，在数秒内可完成交联反应，可以缩短辐照交联改性的时间，通过调节电子加速器高压，可实现聚乙烯薄膜的半交联改性。较佳的，所述电子束辐照装置的辐照能量可以在150-200keV范围内进行调节，束流在5-20mA范围内连续可调，以及辐照厚度在5-30μm范围内连续可调，使得所述电子束辐照装置能够通过改性聚乙烯薄膜满足几乎所有需求。

需要指出的是，上述实施例中，设置了前张力控制器、后张力控制器，可以想到，张力控制器的作用之一在于控制聚乙烯薄膜的张力，使其改性反应进行得更加顺利，当然不增加两个张力控制器，同样能达到本发明目的，因此不应当用于限制本发明的保护范围；另外，只任择其一设置在本发明公开的装置中，也应当属于本发明保护范围。

上述实施例中，还设置了放卷装置变频器、前牵引装置变频器、后牵引装置变频器、及收卷装置变频器，作用之一在于形成主控制器的闭环控制，当然不增加上述的变频器，同样能达到本发明目的，因此不应当用于限制本发明的保护范围；另外，选择其中至少一个设置在本发明公开的装置中，也应当属于本发明保护范围。

上述实施例中，还设置了放卷装置驱动电机、前牵引装置驱动电机、后牵引装置驱动电机，作用之一在于通过驱动电机精确控制每个装置的运行速度，从而控制经过其上的聚乙烯薄膜的运行速度得到精确控制，当然不增加上述驱动电机，同样能达到本发明目的，因此不应当用于限制本发明的保护范围；另外，选择其中至少一个设置在本发明公开的装置中，也应当属于本发明保护范围。

所述电子束辐照装置具有自屏蔽功能，上述实施例中采用的是铅屏蔽，当然采用其他本领域技术人员很容易想到的替换材料进行屏蔽，也应当属于本发明保护范围。

上述实施例中，所述真空室中的保护性气体为氮气，当然采用其他本领域技术人员很容易想到的气体（如惰性气体等）替换氮气，也应当属于本发明保护范围。

除上述实施例外，还可以通过将前牵引辊31（参考附图1）和后牵引辊51（参考附图1）对应替代所述前摆辊21和后摆辊61作为机械变量检测装置，并利用主控制器直接控制对应的前后牵引装置变频器，从而实现张力控制。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1. 一种聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，依次包括放卷装置、前牵引装置、电子束辐照装置、后牵引装置、收卷装置以及用于控制所述各装置并接收所述各装置反馈信号的控制装置；所述放卷装置和收卷装置分别用于送出和收回所述聚乙烯薄膜，所述前后牵引装置用于引导所述聚乙烯薄膜的输送，所述电子束辐照装置用于照射经过其中的聚乙烯薄膜并使其改性；

所述电子束辐照装置包括真空室、灯丝组件、束流发射窗口及束流控制装置；所述束流控制装置控制所述灯丝组件发射束流，经所述束流发射窗口照射到所述聚乙烯薄膜上使其改性；

所述灯丝组件包括反射极、长灯丝、引出栅极和终端栅极；

所述束流发射窗口包括窗框、钛金属膜和长条形窗口；所述窗框将钛金属膜固定住；

其中，所述电子束辐照装置的辐照能量在150-200keV范围内进行调节；所述电子束辐照装置的束流在5-20mA范围内连续可调；所述电子束辐照装置的辐照厚度在5-30μm范围内连续可调。

2. 根据权利要求1所述的聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，所述电子束辐照装置具有自屏蔽功能。

3. 根据权利要求1所述的聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，所述电子束辐照装置的辐照能量的调节范围为150-200keV；所述电子束辐照装置的束流的连续调节范围为5-20mA；所述电子束辐照装置的辐照厚度的连续调节范围为5-30μm。

4. 根据权利要求1-3中任意一项所述的聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，所述控制系统包括主控制器、至少一个张力控制器、至少一个变频器以及至少一个驱动电机。

5. 根据权利要求4所述的聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，所述张力控制器包括摆辊、张力传感器和控制器。

6. 根据权利要求5所述的聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，所述控制系统包括前张力控制器、前牵引装置变频器、前牵引装置驱动电机、后牵引装置变频器、后牵引装置驱动电机、后张力控制器、收卷装置变频器和收卷装置驱动电机。

7. 根据权利要求6所述的聚乙烯薄膜改性装置，其特征在于，所述控制系统还包括放卷装置变频器和放卷装置驱动电机。