双向拉伸薄膜工程技术的创新现状和进展（下）

张友根(上海浦东新区，上海 201200)

（接上期）

3 多层共挤双向拉伸薄膜生产线设备绿色化技术的创新现状和进展

双向拉伸薄膜生产线是由多种设备组成的连续生产线，包括：干燥塔、挤出机、铸片机、纵向拉伸机、横向拉伸机、牵引收卷与分切、控制系统等。

多层共挤双向拉伸薄膜生产线设备绿色化技术的创新达到生产线绿色化生产的持续发展。

3.1 收卷设备绿色化技术的创新现状和进展

收卷张力控制技术的创新现状和进展。收卷装置完成对薄膜的恒张力（或随着卷径的变化，控制张力使按设定的规律变化）收卷。收卷系统应该满足能任意设定和控制张力及收卷过程中保持收卷的张力恒定，保证在各种线速度下都能稳定收卷。

收卷自动张力控制器利用恒定的张力控制方使整个生产达到理想的效果，从而提高生产质量与效率。更高的生产速度及生产工艺对张力控制提出了更高的要求。张力传感器测控方式，张力传感器安装在张力检测辊的轴承下面，将检测到的薄膜张力转换成电信号，送到张力调节器中，与原设定的张力信号比较后，进行PID计算，然后输入收卷电机控制器，达到控制收卷辊转速的目的，控制精度高，检测范围宽，响应速度快，线性好，缺点是不能吸收张力的峰值，机械的加速度难以处理，不容易实现高速切换卷等。全自动张力伺服控制方式，系统由PLC可编程控制器对整机张力进行控制，采用LCD彩色大屏幕触摸屏进行人机界面通信，控制精度高，反应快，稳定性好，可对张力控制的速度、张力、卷径等参数进行设定、显示、修改，无论在低速还是高速都具有良好的控制性能，可实现锥度张力控制，实现更高的生产速度及生产工艺对张力高精度控制。亚特克TC930卷径张力传感器测控方式，控制器能根据安装在辊轮上的编码器或接近开关输出的脉冲信号，检测出收料或放料的卷径、卷料的实际张力，并根据设定的目标张力及实测张力经PID运算后自动调整输出信号来控制卷料的张力，自动调整输出信号来控制卷料的张力，同步功能可以跟踪前级驱动单元的运行速度，当系统速度变化时，张力系统能快速跟踪速度的变化，改变输出值，使得整个系统能快速同步运行，并保持较小的张力波动。

转塔式收卷装置能保证薄膜满卷时自动或半自动换卷，平稳收卷。奥地利SML兰精公司W4000系列收卷机共有几种不同的型号，采用中心卷绕+接触收卷模式，收卷机上采用薄壁卷芯技术，其3"收卷芯的重量仅为350 g。从而能够大幅度降低使用成本。碳纤维制造的超轻接触棍有效提升卷绕的高度敏感性，碳纤维制造的收卷轴可有效防止临界速度的产生，膜卷最大直径可达400 mm，最大机械速度可分别达到725 m/min和1 000 m/min。其中，单转塔用于收卷4膜卷（4×500 mm），双转塔用于收卷4膜卷（8×500 mm）或10膜卷（10×500 mm）。在收卷过程中，双转塔可将整幅膜分成两个部分，然后将它们分别输送到上、下转塔中进行收卷。当要收卷6膜卷（6×500 mm）时，则采用单转塔加中间支撑的特殊型号，或直接采用双转塔型。

3.2 分切设备绿色化技术的创新现状和进展

分切机组是生产线以外的独立机组。完成将收卷后大母卷薄膜，分切成按用户要求的宽度和长度的成品卷膜。

格贝尔艾玛斯公司分切复卷设备：莫诺系列分切机，因特系列分切机和艾特2代分切机，涵盖了整个从1 800～12 000 mm范围的膜宽，并设定了薄膜分切的标准。用于分切BOPP、BOPET、BOPA、BOPS等薄膜。厚度在0.5～500 μm的材料可以在最高为1 500 m/min的速度下进行分切，即使在最大速度下也可平稳运行，并保证最终产品的优异质量。设备的放卷直径设计为最大 1 800 mm，复卷直径最大1 550 mm，复卷站的最大成品卷载重为5 000 kg。设备采用中心收卷技术，全自动尺寸规格调节。收卷站配备独立压辊和收卷臂，每卷独立感应和调节，保证每一成品卷达到良好质量。而收卷站的收卷臂和压辊可拼合，可收卷成更宽的成品卷。使用了数字交流技术，可高效回收电能，帮助减少操作成本并提高能效。

3.3 拉伸设备绿色化拉伸结构技术的创新现状和进展

纵横双向逐次拉伸技术已经发展到一个高点, 宽度和速度已近极限, 拉伸机构技术的创新难有很大的突破。

双向同步拉伸技术作为一项先进的薄膜生产技术,拉伸机构技术的技术创新开发应用的前景很广，国际上拥有同步拉伸技术的设备生产厂家一直在加大研发力度。双向同步拉伸的结构主要有以下两种形式：机械榄闸式的拉伸机构；线性电机的拉伸机构。线性电机的拉伸机构专利技术是德国布鲁克纳公司所拥有,设备技术和工艺条件都是比较先进的, 但由于其配套成本很高, 日常维护较高, 目前还没有在国内得到推广应用。

在拉伸设备中，各种辊（包括预热辊、拉伸辊和冷却辊等）的设计对于薄膜的质量控制，避免表面缺陷，防止在纵向拉伸的同时发生横向收缩等都是很重要的。辊的型式、外径，宽度、辊子间隙、平行度、材质和加工精度以及表面温度控制等都会影响薄膜的拉伸质量。

创新TDO的冷却段温度和风量的均匀性的设计，创新风道、风嘴，夹子进口带入的风量控制设计，减少横拉伸过程中的弓型的弓高，保证薄膜的平整均匀性。

3.4 冷却辊冷却技术的创新

薄膜快速冷却定型不但提高薄膜的光学性能（雾度和光泽度），而且提高薄膜的拉伸能力。确保薄膜两侧（冷辊侧和水箱侧）有同等的冷却效率就变得至关重要，否则结晶结构将不再均匀。传统的螺旋流道式的冷辊，冷却流道一般会超过300 m，水在流道内停留的时间长达10 s。DMT特殊的喷水式冷辊（喷水在辊面的停留时间少于0.1 s）及高位水箱（冷辊直径的90%），并辅以20根喷水管，确保了流延膜两面得到高效均匀的冷却。

3.5 多层共挤双向拉伸模头绿色技术创新现状和进展

模头是铸片的关键，它直接决定铸片的外形和厚度的均匀性。多层共挤双向拉伸模头为衣架型长缝模头。模头开度通过若干个带有加热线圈的推/拉式差动螺栓进行初调，并通过在线测厚仪的自动测厚、反馈给模头的加热螺栓进行模唇开度的微调。模头能够控制片状流体的断面形状，自动模头还具有控制薄膜横向厚度公差的功能。

多能化绿色双向拉伸模头。Nordson EDI公司ContourTM双向拉伸模头可将多歧管模头或单歧管模头与喂料装置配合使用以实现共挤，能够生产 9 层或更多层薄膜；通过多歧管模头，利用精确的单层物料分配提高产品质量；通过创新性喂料块特长提高产品转换灵活性；适应不同黏度的材料和部分覆盖要求的设备，增强结构的通用性；通过固定内部幅宽调节装置可实现依赖于工艺的薄膜结构包边，从而能够通过更换内部嵌块改变覆盖宽度；特定应用需求定制工程设计和可选特性；采用活动模唇进行微调，可提供不会影响传统唇夹气隙的小型滑动幅宽调节装置；借助位于汇聚点的固定分料杆嵌件，无需额外模头表面加工即可转换料流几何尺寸；通过可用的分体式喂料块设计，降低日常清洗的停机时间。

膜边高效回收利用直接成型。Nordson EDI公司ContourTM双向拉伸模头利用“裸边”或部分覆盖特性来减少裁剪，从而节省更多塑料原料材料，同时可节约能耗。

提高摸头清洁高效化寿命周期，降低使用成本。摸头使用各种高质量结构材料和表面抛光技术、模唇涂布技术/模唇激光硬化技术，降低析出物，实现清洁化高质量高效的长时间生产。

Autofle×TMVI-RE 型全自动模唇开度调节系统。精确控制薄膜厚度，与常规的手动调整相比，可节约大量的原材料。系统可在压缩空气或鼓风机冷却条件下运行。通过灵活模唇模身上方的独立加热单元，消除模身、模唇与膨胀块之间的热传输。通过采用支持更为线性化的移动的自动模式，减少运行调整。通过连接到每个膨胀块的空气冷却，实现平衡的重复快速响应。采用差动调整系统，可以手动微调。通过利用模唇调整单元的热胀冷缩来对灵活模唇进行精细微调。每个模唇调整位置配备包含加热管和空气冷却通道的调节块。系统固有的模唇人工调节装置作为超驰控制装置，以便在热调节系统正式进入工作状态之前以传统的方式对模唇开度的一致性进行大致的人工调节。热调整系统利用每个调整点的电源来提高或降低调整块的温度，从而改变模唇开度。轻量化的膨胀块，缩短了加热和冷却循环的响应时间。功能模组，每个都带有3～4个调节单元。这种模组设计使得自动系统上的某些原本难以触及的区域的易损件也变得易于更换。

3.6 双向拉伸薄膜厚度智能化在线检测设备技术创新现状和进展

双向拉伸薄膜工序上配备在线厚度检测，进行实时的检测并调整，以使薄膜产品的均匀性平整度达到最佳，使其在符合要求的范围内连续生产，同时提高下游产品的质量。双重测厚系统提高薄膜厚度拉伸的均匀性。

自动测厚系统由检测、执行及中央处理器等三部份组成。中央处理器根据单层厚度测量系统检测层厚发出的信号，控制与层厚有关的技术参数。

智能化在线测厚系统，提高测量薄膜的厚度准确率，有效组态监控软件系统更易于实现其对薄膜平整性的调整。只需把薄膜厚度控制公差输入系统，整个控制过程在计算机的控制下自动完成，排除了诸多的人为因素，使层厚公差控制在要求范围内，减少了原料消耗，节约了生产成本。法国SCANTECH公司开发的双向拉伸薄膜厚度在线检测，全自动模头螺栓对位控制系统软件（Auto-Mapping software），利用前后二台相同的X线测厚仪，完全相同，可以互换使用，各自独立运行，互不干扰，真正实现测厚仪剖面完全准确的自动对应，不需要任何的人工干预，既便是在改变生产线速度或改变产品的宽度情况下，薄膜测厚仪能在每次扫描时根据所测薄膜剖面的变化，自动调整螺栓的对应位置关系，为等质量比例计算提供了准确的数据。模头螺栓控制柜独立运行，从前后二台测厚仪中分别读取数据后直接计算并控制模头螺栓。自动对位系统实现了剖面和螺栓的准确对应，不管铸片剖面如何变化，薄膜测厚仪都能精确跟踪。自动系统既可以用平均功率的方式控制模头螺栓的加热棒，也可以用设定螺栓温度的方式来进行控制。由于X线探头的特殊性，可以始终扫描到膜边以外全幅膜的厚度，为此专门设计的“边膜剖面显示”画面，可以帮助客户准确地调整链夹区域的厚薄，从而有效地减少边料的浪费、提高产出比，且平衡模唇的开口，使融体在模唇开口横向的流动性达到相对的稳定。软件画面显示薄膜厚度剖面的状况和变化，同一画面中可以同时观察最多20次累积剖面的变化，更直观地显示出剖面的波动范围，用于比较工艺参数调整前后的变化，根据这些状况及变化，可以帮助我们分析判断设备可能存在的问题，改善生产工艺，以及提高对设备的操作水平。系统参数直接显示在屏幕上，方便了维修维护，同时也给远程诊断提供了条件。

3.7 智能化控制技术的创新现状和进展

广东金明精机股份有限公司旗下汕头市远东轻化装备有限公司开发的BOPET-2600双向拉伸成套设备，采用全自动智能控制系统，现场数据分散采集，集中控制，为车间及工厂的数字化、智能化发展奠定基础。适应于光学膜工艺配方开发和小批量、多规格生产。智能化控制系统关键技术创新点：成熟可靠的光学膜制造工艺技术；计算机仿真设计理论计算及实践经验的传热技术；横向拉幅链铗平稳、连续、耐磨、可靠地在工艺要求的曲线轨道上灵活运行技术；现代优化自适应PID功能技术，采用SPC控制技术实现对生产过程的监控，对技术数据的实时统计分析，实时提供改进措施，确保生产过程始终处于统计控制状态，以提高制品的质量、精度、能耗等性能指标。包括高精密挤出系统采用压力闭环反馈控制技术、高精度薄膜运行张力闭环控制技术、加热冷却的温度闭环控制技术等；光纤网络传输技术。

生产线在中央控制室能智能化、信息化地显示产生报表：对生产管理部门：投入、产出数量，自动打印出产量报表；对设备管理部门：设备各部件运行参数检测、预防性维护措施；对质检管理部门：监测产品线各工序薄膜质量状况及改善质量；对高层管理部门：能耗、成本、计划、产量、财务指标、可持续性。

4 生态环保特种膜共挤双向拉伸技术的创新现状和进展

持续创新生态环境友好型高分子材料应用于包装产业的共挤双向拉伸薄膜的成型技术，调整塑料包装材料的绿色化产业结构，推动生态环保薄膜资源节约型包装产业的持续发展，拓展生态环境友好型绿色包装的发展空间。表1为BOPE薄膜典型性能。

表1 BOPE薄膜典型性能

4.1 BOPE薄膜技术的创新现状和进展

BOPE是近年开发的新产品，比原吹塑或流延方法生产的聚乙烯薄膜在物理性能方面有较大的改善，带来了刚性、韧性、光学性能和低温性能的全面提升，能有效扩大薄膜在包装领域的应用范围。

BOPE薄膜优于IPE和CPE薄膜的产品特点主要有：高挺度、高拉伸强度；热封强度高、抗穿刺强度高；高透明、高光泽；极好的低温抗针孔性，极好的低温柔韧性，高耐磨性和抗冲击强度；润湿张力保持时间长；具备易撕性能，可纵横双向直线撕裂，撕口整齐。基于以上优点，使用BOPE薄膜以一半厚度替代IPE或CPE薄膜与BOPA或BOPET等干式复合，具有相近的热封强度和挺度，替代结构15 μmBOPA(或12 BOPET)//PE中的传统PE用于-18℃冷藏，可大大降低破袋率。正是由于BOPE的性能优异，BOPE薄膜可广泛用来替代IPE和CPE薄膜与BOPA或BOPET及铝箔等干式复合或挤出复合制袋，或单层熔封制袋，或涂布加工等，减薄包装厚度，节省成本，用于各种食品或日用品等的包装，尤其在冰块、速冻食品、海产品、粉体、液体和重包装等包装领域取得重大进展。

PE分子结构对称性高，结晶速率快、结晶度高，生产BOPE的技术难度较高。不同分子密度的PE在拉伸过程中表现的行为也不同。为有利于拉伸，选用分子密度低的LLDPE作原材料，进行改性，做成拉伸专用LLDPE。

BOPE的加工工艺与BOPP类似，其前半段熔融挤出与流延法相似，后面增加了纵向和横向拉伸段。m-LLDPE原料，经过挤出机熔融挤出，然后经冷却辊或水槽冷却控制其结晶速率和结晶度，冷却后形成厚片，厚片再加热，用平膜法双轴取向分步拉伸辊纵向拉伸后进入拉幅机预热实施高倍数横向拉伸和热定型，最后经过测厚、切边和后处理，卷取即制得BOPE薄膜，经过时效处理后即可按规格进行分切。

日本三井化学公司最先开发出使用特定茂金属催化剂生产的适合平模双向拉伸的m-LLPE，并世界首创BOPE，并实现批量生产。

佛山塑料科技集团有限公司、厦门顺峰包装有限公司和广东德冠包装材料有限公司采用m-LLDPE生产BOPE，但未见BOPE成熟产品推向市场。厦门大学和厦门顺峰包装有限公司在多年合作基础上，联合中国石化北京化工研究院，突破专用双向拉伸PE原料性能的开发中的技术难题，直接在现有的BOPVC设备上生产出多层共挤双向拉伸BOPE，幅宽4.2 m，拉伸速度达到195 m/min。

创新PE拉伸料性能及加工技术，拓展BOPE应用领域。陶氏化学公司旗下包装与特种塑料业务部在ProPak China 2017推出一款创新型材料——双向拉伸聚乙烯(TF-BOPE)专用料。TF-BOPE材料采用了陶氏化学专有的催化剂技术和聚合物工艺，使得一个单一的包装材料，可以满足多样化包装性能的要求。雾度仅是传统PE产品的20%，光泽度比传统PE提升50%，冲击强度传统PE提升250%以上。

陶氏化学与广东德冠薄膜新材料股份有限公司和福建凯达集团有限公司展开合作，依托德冠在BOPP膜上的生产经验和生产规模，同时联合凯达在下游产业化转换和生产的优势及品牌商的联系。德冠在生产过程中克服了双向拉伸聚乙烯TF-BOPE薄膜在BOPP设备上的各种困难，实现了TF-BOPE薄膜在BOPP设备上的无缝切换。

BOPE主要向两个方向发展：其一，TF-BOPE产品的单层应用，即直接应用在标签上面做面材和底材。其二，由具有不同功能层的单一PE材料组成的多层膜的开发。

4.2 双向拉伸水溶性PVA薄膜生产技术的创新现状和进展[23]

PVA具有降解彻底、使用安全方便等环保特性，无论是原料选择，还是加工和消费过程，都没有或者不释放有毒、有害物，有利于环保与实现绿色消费，属于环境友好产品。水溶性PVA薄膜可完全降解为CO2和H2O，以厚度为25 μm的薄膜为例，其在20～80 s内即可完全溶解。未来几年PVA薄膜在全球的年增长率为8%～10%，包装薄膜市场潜力巨大。

PVA系水溶性物质，制膜工艺条件有别于热塑性塑料。目前，薄膜的成型工艺主要采用挤出流涎法和挤出吹膜法。两种成型工艺存在质量不易控制、效率低、能源消耗高等绿色缺陷，在一定程度上制约了PVA薄膜的广泛应用。双向拉伸水溶性PVA薄膜在强度、韧性、刚性、尺寸稳定性、光学性能、厚薄均匀性方面同比挤出流涎法和挤出吹膜法具有无法比拟的优势。

兰州三环新技术开发公司研发的“水溶性PVA薄膜双向拉伸滚筒法制膜生产技术”与现有的工艺方法相比，具有工艺流程短、设备投资少、占地面积小、耗能低、噪音小、生产环境清洁的优点。由于成膜与固化 (干燥)在滚筒上同步完成，成膜均匀，很好地解决了湿法生产中的快速成膜、快速脱膜，连续高效等技术难点，产品平展度好，品种规格调解范围大，可适应市场上多种规格包装用膜的制造要求。因该生产工艺强化了后熟和双向拉伸措施，进一步提高了产昂性能指标。用该技术生产出的PVA薄膜，其特性表现得相当充分，由于添加剂少，强度高，透明度好，所以应用广泛。该技术的研发是在已有的专利发明基础上进行改进和优化，其设备和工艺均不同于现有的同类薄膜制造方法，在国内目前处于领先水平。

5 双向拉伸技术拓展生物降解塑料薄膜的应用领域

PLA原料来源于可再生植物的一种环境友好材料，它不仅具有良好的物理性能，还具有良好的生物相容性和降解性能，在堆肥条件下2～3月内即可完全分解。

PLA在通过双向拉伸定型后消除了自身的致命弱点，还完整地展现出除可生物降解之外的其他特有的性能优点，经过双向拉伸并热定型的BOPLA物理性能[3]可达到：耐热温度可提高到100℃；抗拉强度MD135 MPa、TD150 MPa；断裂伸长率MD105、TD95；透光率92；雾度0.5；光泽度110；热收缩率MD5、TD5；表面张力38 Ma.m-1，消除了自身的致命弱点，改善了自身材料应用特性，这无疑为产品的应用打开了一扇通往塑料包装市场的大门。利用BOPLA的扭结保持性、易印刷性、高透明和高亮光以及可热封等优良特性，100 μm以下在镀铝、彩印、热复合膜；糖果、肉脯扭结包装膜以及各种食品、办公文具、卫生洗涤用品等一次性包装套、袋方面获得广泛的应用空间。利用BOPLA优异的折叠稳固性和透明性等优良性能，200 μm左右的BOPLA膜片是高档透明折叠盒用材的优选。双向拉伸的厚片提高了片材的韧性和耐温，应用于食品热压、塑成型的电信电话卡、包装容器及一次性餐盒等方面，应用空间广阔。

瓦克公司已经开发出A-B-A结构的三层共挤双向拉伸膜，从而进一步提升薄膜的性能。薄膜中间层（B层）含有大量的VINNEX®8880，而外层（A层）则是纯PLA。VINNEX®8880可提高PLA机械性、抗冲击强度。在PLA中添加VINNEX®2525能改善熔体强度，还能提高拉伸因子。

泰国AJ Plast公司开发了具有良好的可印刷性、极佳光泽度和透明度的Ingeo双向拉伸薄膜，应用于鲜花、糖果、沙拉、面包等包装。

6 结语

共挤双向拉伸作为一项高科技的绿色化薄膜的生态环保的生产技术，进一步开发的潜力和空间广阔，共挤双向拉伸薄膜的应用领域的特种前景无限。

特种薄膜需求量很大。共挤双向拉伸是生产特种薄膜的主要工艺技术。共挤双向拉伸薄膜工程技术创新以“现实需求”和“潜在需求”的实现实体环境保护的特种薄膜为对象，创新成型原料、成型设备、成型工艺。薄膜强度 ＞270 MPa的高强度薄膜、薄膜收缩率 ＞70%高收缩薄膜、薄膜雾度 ≤1%的光学薄膜、薄膜收缩率 ≤1%的耐温低收缩薄膜等特种双向拉伸薄膜工程技术有待创新开发，对于提升我国绿色化薄膜的生态环境保护的可持续发展水平、调整塑料包装薄膜的产品结构、扩大市场机遇具有重要的意义。