多層共擠流延膜成型設備與技術的創新現狀和進展（上）

張友根

(上海浦東新區，上海 201200)

0 前言

多層共擠流延膜生產過程中，無三廢物質產生，不會污染周邊環境，對環境保護的適應性好。多層共擠流延膜與吹膜相比，其薄膜的阻隔性、透明性、光澤性、厚度均勻性等綠色性能都很出色，并且在生產成本方面具有回復優勢。流延膜其后續工序，如印刷、復合等都極為方便。本文論述了多層共擠流延膜綠色高速成型技術、綠色成型技術、多層共擠流延模頭技術的創新現狀和進展，研究了多層共擠流延膜設備智能化綠色成型技術的創新現狀和進展，簡介了四例多層共擠流延功能化膜成型設備與技術的創新現狀和進展，指出持續創新智能化、高速化、功能化、差異化等多層共擠流延膜成型設備與技術，拓展多層流延膜的潛在應用領域。

1 多層共擠流延膜綠色高速成型技術的創新現狀和進展

高速成型提高設備資源的利用率，高速實現高產率，降低成型單位能耗。

多層共擠流延膜綠色高速成型涉及到機構、部件的高速運轉性能及其控制技術。多層共擠流延生產線包括擠出機單元、分配器/模頭成型單元、流延成型單元、測厚控制單元（多臺擠出機組成）、電暈處理單元、牽引收卷單元、邊料在線回收單元及電氣控制單元。各單元高速運轉性能，互相協調同步才能實現高速成型。

1.1 高速收卷技術的創新現狀和進展

長期來，多層共擠流延膜綠色高速成型受收膜機卷取性能及控制技術的制約，卷繞速度只是400 m/min（彈性膜）和300 m/min（CPP）。近年來，流延膜的收膜機卷取性能及控制技術取得了突破，卷繞速度已達到600 m/min（彈性膜）和500 m/min（CPP）以上，生產線的生產速度不再受收膜機速度的限制，可以更高的速度和更小的張力將更薄、更寬的薄膜卷繞成直徑更大、質量更好的膜卷。德國布魯克納機械制造公司制造出了世界上最大的收膜機，可以卷繞10 m寬的PP卷筒和直徑1 524 mm（60"）、重近12 000 kg的膜卷。Davis-Standard的Meridian收膜機以635 m/min的速度卷繞。Battenfeld Gloucester公司的1002 DS（雙軸）型收膜機在最高500 m/min的速度下卷繞彈性流延膜，可以生產8個20"寬的膜卷或者6個30"寬的膜卷。

1.2 低張力卷繞技術的創新現狀和進展

CPP流延膜在卷繞后會隨著48 h或48 h以上的結晶化而收縮，因此他是一種很難卷繞的產品。假如膜卷沒有收縮需要的足夠的空氣，膜卷會變硬，并可能壓碎軸芯。低張力的中心/表面卷繞可以在膜層之間夾進一定控制量的空氣，低張力的優化控制提高CPP的膜卷質量。

Addex公司Superwind收膜機，有一組13臺AC伺服電機，帶直接扭矩控制——每個卷繞站6臺，剩下的一臺用于輸進壓輥。每個卷繞軸的一端使用大電機，另一端使用小電機進行軸的傳動。鼓輪后托輥兩真個、用光纖電纜連接的測力計監測實際張力。Superwind根據所有驅動機構傳遞來的扭矩數據控制張力，僅使用測力計調準和校驗張力。這套系統可以提供更加精確的張力控制，其精確度在2%～3%之內，而僅依靠測力計進行張力控制的精確度是10%～15%。Kirion W-M（Wintech Multi-purpose）多功能表面/中心/間隙收膜機可以在卷繞極薄的薄膜時，將張力控制到40 N。德仕威多層共擠流延膜生產線的收卷翻轉架旋轉采用變頻控制方式，可實現機架的緩速啟動和緩速停止，由此提高停位精度，使薄膜的收卷張力更加穩定，任意錐度張力設定可保證恒扭矩的收卷，可有效地防止膜卷在收卷過程中的縮緊現象，得到整齊的收卷效果，實現高速卷繞。

1.3 冷卻棍的驟冷定型技術的創新現狀和進展

冷卻輥的驟冷定型性能對薄膜的冷卻效率和薄膜在寬度方向的均勻性以及產量具有重要作用。冷卻過程是導熱、對流、輻射綜合的三維非穩態周期傳熱。薄膜冷卻過程中的熱量主要由流延輥帶走。雙進雙出螺旋流道在不改變流道截面面積的情況下，流道的長寬比越大輥筒的換熱效果越好。冷卻速率與薄膜厚度、輥筒轉速之間相互關聯。

中山松德公司CPP流延膜生產線優化主冷卻輥的材料及內壁螺旋冷卻流道結構，配備水溫自動控制系統，保證主冷輥的進水溫度與出水溫度的溫差在±1°C以內，使主冷輥在高速運轉的情況下得到最佳質量的薄膜。

多層共擠多功能阻隔流延薄膜擠出成型時，采用分級冷卻，保證各層的平面度質量。如C與E層含有PA的7層共擠流延膜，為避免PA因急冷而導致薄膜起皺，應采用分級冷卻，流延輥的輥面溫度一般為30～45℃，冷卻輥的輥面溫度一般為20～25℃。輥面表面溫度誤差應控制在≤±1℃的水平，以提高制品品質。

2 多層共擠流延膜綠色成型技術的創新現狀和進展

多層共擠流延膜綠色成型技術綠色化創新主要內涵：最大限度地減少對環境的負面影響，諸如噪音、振動、熱、化學物質以及點輻射等對人類健康損害的要素，均不應對環境產生污染和對生態環境的破壞，潔凈人類生存環境的健康化。

2.1 能源回收利用技術的創新現狀和進展

擠出加熱散發的余熱是可以利用的二次能源，同時也是減少熱污染的最主要措施。廢熱用于加熱需要升溫的原料；既回收了廢熱，節約了能源，又防止了環境的熱污染。

廣東仕誠塑料機械有限公司新一代4800CPP流延膜生產線，更節能環保，集中收集薄膜定型系統熱量，夏天可減少排放的熱量，節約空調用電；冬天，排放的熱量可集中到熟化架，定型效果更好，可減少油加熱。采用超低平臺設計，降低廠房高度要求，為客戶節省成本。

2.2 高效低能耗擠出塑化技術的創新現狀和進展

江門市輝隆塑料機械有限公司根據流延擠出的特點，采用動態平衡節能擠出機，具有擠出量大、塑化混煉均勻、擠出混度低、能耗低、物料適應性強，并且能使擠出過程中產生部分的分子極性和增加擠出膜與復合基材的結合度。

紹興博瑞擠出設備有限公司圍節約能耗創新流延薄膜裝備的節能設計。5.3 m流延CPP薄膜設備采用超小長徑比(L/D=22～25)擠出機，相對于L/D=32的擠出機來說，需要加熱的面積和散熱面積同步減少21.87%～31.25%。在不更改過濾面積的前提下盡可能采用散熱面積最小的過濾方式，以達到降低換網器的熱損耗。采用柔性管道連接，使用超低能耗的加熱帶纏繞加熱，外套保溫套，既能夠起到節能的效果又具有安全作用。

松德機械股份有限公司對擠出機螺桿的相關參數進行計算和修改，增加計量段長度，增加計量段深度，適度增加螺桿轉速，增大機頭壓力，達到低能耗高產量。

2.3 節能降耗冷卻定型技術的創新現狀和進展

紹興博瑞擠出設備有限公司CPP生產線，研究CPP薄膜在冷卻輥上的降溫及結晶，針對薄膜快速冷卻的徑向區域很短的實際，減小冷卻輥直徑，達到降低配置驅動器規格及功率、能耗。研究了薄膜冷卻結晶過程以后，用冷卻軟風箱取代冷凍機組，并去掉后冷卻輥及其伺服電機、水循環水泵、變頻器等驅動、控制系統，不但降低了驅動消耗，而且提高了設備的競爭能力。

2.4 邊料回收利用技術的創新現狀和進展

邊料回收利用裝置包括邊料粉碎機、邊料風機、輸送管道、不銹鋼旋風除塵器、粉料輸送螺桿等；粉碎后的邊料經風機通過管道輸送至旋風除塵器，經旋風除塵器分離后由粉料輸送螺桿強制輸送到中層擠出機中。

德國的Reifenh公司新的7層CPP生產線，收卷棍兩邊設置封裝裝置，用以減少廢料和邊角料的產生，并將邊角料再投入其中1臺擠出機中，從而提高了回收率，降低了加工成本。

德仕威多層共擠流延膜生產線配備邊料切割、導出和回收裝置3套頂緊穩定切邊裝置、1套邊料導出裝置以及1套在線邊料回收裝置。

紹興博瑞擠出設備有限公司邊料回收系統破碎機旁通風路的開通，充分發揮回收風機之效率，提高邊條風口的吸入效率，降低回收風機的配置功率及功率消耗，配之回收料斗的旁通進料，使得整個回收系統的能耗相對于同行下降37%。

2.5 拓展成型原料適應能力技術的創新現狀和進展

一般設備加工CPE共擠流延膜為流延級PE（MI：42 g/10 min或者以上），成本比吹膜高。松德機械股份有限公司創新出能用吹膜級PE（MI:2 g/10 min，以線性LLDPE和低壓HDPE為主的原料）原料生產流延膜的3層共擠CPE生產線，寬度2 400 mm，產量可達600 kg/h以上, 相當于4～5臺吹膜設備的產量。這款設備攻克了以往設備必須采用流延膜原料，原材料貴，且生產出的CPE流延膜縱、橫向拉伸強度不夠的兩大不足，不但降低了生產成本，而且提高了薄膜的拉伸強度。薄膜晶點少、透明度高，可滿足高速無溶劑熱復合和自動包裝機的識別性能的要求。

技術創新主要點：

PE擠出機。特點在于小螺桿，高轉速，小壓縮比，高的表面光潔度，熔體輸送管道盡量縮短，有效降低熔體輸送過程中的壓力降，給模具進口提供壓力穩定的熔體。

二次結晶單元：通過幾條連續的加熱輥，對膜面進行加熱，促進小結晶生長，結晶度得到提升，控制了后收縮，膜面尺寸穩定，在進入收卷可進行在線分切，可同時溫度也可實現開口爽滑劑的析出，方便后段的收卷成型，同時，二次結晶對膜面的縱向拉伸強度有顯著的提升效果，對橫向的拉伸強度也有一定的幫助。二次結晶單元，不但促進爽滑開口劑的析出，而且同時具備了回火定型功能，在收卷過程中有效地克服了傳統PE收卷過程中的板結以及在線分切產品的尺寸穩定性等現象。

2.6 高阻隔多層化流延膜成型技術的創新現狀和進展

近年來，隨著機械加工和制造技術的超精度化，智能化控制技術的發展，超精度的多層化模具制造成為現實。多層共擠流延膜由流行的3層、5層，發展到7層、9層、11層共擠生產線，國外已出現了超過11層的多層共擠流延膜生產線。

美國巴頓菲爾格羅斯特工程公司17層共擠流延膜復合阻隔膜生產線，可為客戶進一步擴展成為34層復合薄膜生產線。該生產線包括9臺擠出機，巴頓菲爾·格羅斯特工程公司的型號1011S卷繞設備。獨特設計的9層或17層膜集料器和普適性的模頭，配以彈出式鋼制卷芯或者設置在彈出式氣壓鋼軸上的紙制卷芯來卷繞薄膜，以及改進的流延膜生產設備都將有助于降低昂貴的阻隔薄膜樹脂的用量。

持續提高多層共擠流延膜設備和技術的科技含量。朝陽佛瑞達科技有限公司2015年從德國進口貨值330萬歐元11層流延膜生產線一套，具有環保、節能、低排放、易回收等特點，其膜的透明度、平整度和熱封性均屬世界一流，且印刷、復合極為方便。廣泛用于鮮肉、農產品、乳制品、食品、醫藥包裝等高端產品的真空軟包裝。同時也說明我國多層共擠流延膜設備和技術與國際先進技術還存在差距。

2.7 生態健康化熱能清潔化技術的創新現狀和進展

擠出塑化電磁感應加熱系統，加熱效率能夠達到90%，降低二氧化碳的排放量，具有優異的節能、環保、實時的綠色化性能。

2.8 流延膜微積層倍增復合膜技術創新現狀和進展

在傳統的多層復合技術之外，基于模頭技術革新的微層復合技術可謂多層技術發展的一大創新。

微積層倍增共擠出技術，主要由微層分配器、復合倍增器、包覆分配器和歧管式或衣架式模頭共同組成，由3臺或3臺以上的擠出機提供原料，實現在0.01～0.1 mm范圍內的50～1 000層以上的微層共擠。微層分配器是向復合倍增器提供一種層流疊加的裝置，由一個或多個板塊層疊組成，其結構板塊上設置有若干個流層通道，多個板塊疊加之后各層流道通口是相通的，其進料溶體從結構板塊的各個流道中注入，并通過各層通口分配后形成疊加層，復合倍增器是一種壓力降低機制的均衡聚合物流道，以便將不同黏度的聚合物和層疊料流熔融結合在一起，經過重復倍增合并一個整體型熔脂膜再經過歧管式流道壓縮拉伸，最后達到理想產品。例如，單層薄膜采用4倍增疊層處理，經過五級處理就可以達到1 000多層；原始薄膜為4層薄膜，只需要4級倍增就可以達到1 000層。對于100 μm厚的薄膜，1 024層的每一個微層達到納米級。

倍增復合可實現不同物料的組合結構，配合外表面包覆層復合分配器使用可隨意切換、調節更換表層復合比例、物料結構，錯層疊加的薄膜具有非常好的黏性、柔韌性和抗撕裂性、光學特性、阻隔性能等薄膜的性能大幅度提高，探索薄膜的未知的綠色性能，拓展薄膜的“現實需求”和“潛在需求”的綠色領域。

Nordson EDI公司采用陶氏化學公司的“層倍增”設計，制造出了適用于標準厚度的多微層型復雜結構的流延平模頭系統，Contour流延薄膜模頭上加裝層倍增系統，用于生產由數十個超薄微層膜構成的標準厚度光伏薄膜。只對核心層進行層倍增的技術，為17層結構通過核心層倍增達到82層。 EDI從只對核心層進行層倍增的技術，陸續推出選擇倍增、對活性層倍增的技術。

國內模頭行業領先企業精誠時代集團也推出了自主開發的微層復合共擠模頭，用于光學、阻隔薄膜等應用?？梢詫崿F在0.01～0.1 mm范圍內的50～1 000層以上的微層共擠復合，成功為客戶生產的100多層共擠復合彩虹膜。

輥組微層復合技術。Davis-Standard公司擠出輥架系統同樣可以實現薄膜的層疊倍增，其XP Express利用層倍增器技術用于微層復合可以加工超過100層的。從這一技術所能夠帶來的諸多優勢以及目前研究與商業化進展來看，未來這一技術可能開拓更廣泛的應用空間。

3 多層共擠流延模頭技術的創新現狀和進展

多層共擠流涎膜衣架式模頭與多層共擠分配系統，帶有靈活的模塊組合式分配器配上特殊的單流模頭可將多種不同物料復合在一起的多層共擠模頭。多層共擠流延模頭內設有特殊滯留槽，能保證材料流動時的均勻一致。多層共擠分配系統設置在熔體流向T型模頭前的層式分配結構，配置不銹鋼棒式加熱器，設置每層流量單獨調節機構。

多層共擠流延模頭控制精度非常高，薄膜厚度控制精度±3%。模頭內多層復合結構把各層均勻穩定地結合一起，各層厚度比例任意調節。

3.1 多層化流延摸頭的技術創新現狀和進展

多層化流延摸頭的制作繁雜、制造精度極高。多層共擠流延模頭按復合的方式可分為多層分配器共擠和多層模內共擠兩種型式。

多層分配器共擠流延摸頭。多層共擠的分層由分配器實現各組熔體通過分流器后將排列成所需的結構使之均衡流出，調節分配器中各層流道的開口度達到每一層薄膜厚度的均勻性。分配器為獨立部件，有利于降低模頭的制造復雜系數。精誠時代集團5 000 mmCPP流延膜模頭配合5層共擠分配器，優化的寬幅多層共擠創新設計，呈現完美的高線速度，產能達2 000 kg/h以上，為包裝行業帶來高產能低能耗解決方案。

多層模內共擠流延模頭。模內共擠復合能更好的控制各層的復合比例，在復合精度和復合層比例方面獨具優勢。分配器表層復合比例都不低于10%，而模內共擠復合的表層最薄可達到5%，有利于降低表層原料成本。擠出熔融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。在設定的溫度、壓力狀態下，材料的模內溫度差異化熱復合，可以確保良好的材料性能。超寬幅的多層模內共擠，必須對每一層原料的復合比例、工藝溫度、壓力、滯留時間等等進行精確的計算，再結合實際的生產需求進行微調。精誠時代集團7 000 mmCPP3層模內共擠模頭，表面層≤10%，產量100～2 500 kg/h。1 800 mm高效隔熱型兩層模內共擠模頭，兩種材料生產工藝最大溫差可以達到80℃（常規的是20～40℃之間）。

3.2 摸頭快速更換產品技術的創新現狀和進展

多層共擠流延膜頭資源節約型成型技術的創新焦點是能加快產品更換減少排放料、縮短調整和維修的停機時間、降低原料損耗。

一般扁平模頭的集料管是上下半?；蚰ｓw之間的流道，模體偏轉是由擠出機加至集料管中的聚合物熔體壓力所引起的，更換產品，需要花較長時間重新校準模體偏轉，在停頓時就產生了很多的廢物，一般都要產生300 kg左右的過渡性材料，浪費能耗，提高薄膜生產成本。

美國Nordson EDI公司Contour?流延膜曲身模頭，適用于加工熱敏性材料和擠出量變化頻繁的產品。曲身模頭采用的是“雕塑”結構，在模頭兩端會呈紡錘形逐漸縮小，這一獨特的形狀可抵消模頭寬度方向上模身所產生的不一致的形變，實現熔體的流線型流動， 能夠比傳統衣架型模頭更快獲得合格的薄膜，同時仍然能使熔融體平滑地流動。此外，該模頭能保證更均勻的橫向厚度，并能獲得更均勻的共擠層結構。內封堵裝置使加工業者不但不會因變更產品寬度而造成停機，同時又能實現這一造型獨特的模頭所能達到的速度和精度，橫向產品均勻性最多提高25%且減少凝膠的形成。曲身模頭采用流線型減縮流道設計，比標準衣架型模頭更易調節，可更快速啟動并達到穩定，使得產品轉換時的流道清洗和顏色改變用時大幅減少，排空殘料所需時間更短，并可以加速產品更換，改變寬度時停產時間可縮短達2天，憑節約的樹脂就可收回成本。利用專為提高“分離和清洗”過程中的安全性和便利性而設計的輔助設備，縮短日常維護的停機時間。完整系統解決方案：依迪埃雙腔真空箱、依迪埃 Ultraflow?共擠喂料塊、依迪埃 UltraSplit?在線模頭分離設備、Autoflex?自動或手動厚度控制。與Nordson EDI公司合作的一家全球薄膜制造商進行的工業化規模試生產中，與衣架式模頭相比，新一代Contour Die達到更精密的厚度公差，因而可以節省原材料，據估算每年可節約20萬美元。

3.3 模頭唇邊綠色化技術的創新創新現狀和進展

流延膜成型過程中，由于塑料受熱分解或低分子析出物極易在模唇處產生殘留物的堆積，如不及時清除極易夾帶在膜中，造成內容物中雜質含量超標或在薄膜表面產生明顯的劃痕，降低產品合格率及浪費原料和能耗。

UltraLip?清潔膜唇刮板組件，由兩個刮唇組件所組成，組件移動與帶螺紋的驅動螺桿保持一致，可以利用簡易手柄發動鏈輪齒式驅動，從模頭任一側面中來操控螺桿，分別針對上唇面和下唇面，他們在不到1 min的時間內穿過一普通模頭的寬度，刮掉模唇上的累積物，明顯縮短流延膜停機時間。

低析出功能母料，提高膜唇清潔壽命周期，提高薄膜光潔度質量。江蘇精良高分子材料有限公司PPA 03PP、PPA 05PP用于降低CPP成型的膜唇析出物，PPA 03PE、PPA 03PE-2、PPA 05PE用于降低CPE成型的膜唇析出物。

德仕威多層共擠流延膜生產線，模頭模唇為柔性模唇型式，并以最有效的間距調節點（25.4 mm）來確保柔性模唇所用的金屬材質不會因受到熔體流反壓的影響而引起模唇間隙的變化，能更有效地微調模頭橫向寬度上的熔體厚度偏差。

EDI公司的EverSharp?膜唇采用碳化鎢涂層，能使唇邊保持鋒利的壽命周期比傳統硬質工具鋼長了4～6倍，降低薄膜流經的剪切熱達到降低熱分解及低分子析出物，提高了薄膜薄膜高精度質量。