雙向拉伸薄膜工程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

雙向拉伸薄膜技術（平膜法）具有生產效率高、質量穩定等優點，雙向拉伸使聚合物中的高分子鏈沿作用力方向發生排列取向，從而達到調節、改善高分子聚合物的聚集態結構，同比吹塑、流延薄膜在厚度減薄一半的情況下，仍具有相近的強度、剛性，尺寸穩定性、光學性能、厚薄均勻性等方面具有無法比擬的優勢，成為薄膜制造中最重要的一種先進綠色化工藝技術。本文研究了雙向拉伸薄膜的拉伸技術和成型技術的創新現狀和進展；論述了多層共擠雙向拉伸薄膜生產線設備綠色化技術的創新現狀和進展；探討了生態環保特種膜共擠雙向拉伸技術的創新現狀和進展；分析了雙向拉伸技術拓展生物降解塑料薄膜的應用領域；指出創新共擠雙向拉伸薄膜工程技術，開發共擠雙向拉伸特種薄膜工程技術，對于提升我國綠色化薄膜的生態環境保護的可持續發展水平、調整塑料包裝薄膜的產品結構、擴大市場機遇具有重要的意義。

1 雙向拉伸薄膜的拉伸技術創新現狀和進展

雙向拉伸將多組塑料通過擠出機加熱熔融擠出厚片后，在玻璃化溫度以上、熔點以下的適當溫度范圍內（高彈態下），通過縱拉機與橫拉機時，在外力作用下，同步/依次沿縱向和橫向進行一定倍數的拉伸，從而使塑料的分子鏈或結晶面在平行于薄膜平面的方向上進行取向而有序排列，然后在拉緊狀態下進行熱定型使取向的大分子結構固定下來，最后經冷卻及后續處理便可制得理想的塑料薄膜。

雙向拉伸分雙向同步（一步法）拉伸和雙向逐次（依次法，兩步法）拉伸兩種方法，系出同源，又略有不同。兩種工藝生產的薄膜特性不同，應用領域也不同。

雙向拉伸薄膜的技術創新要點：積極引進、消化國際上雙向拉伸新技術，改革、創新雙向拉伸技術，實現高質高速高產低能耗的綠色化生產。

1.1 雙向同步拉伸（MESIM）薄膜的技術創新現狀和進展

雙向同步法是拉伸時將擠出的塑料片材在同一拉伸機內，薄膜不接觸任何輥筒的表面，完成縱向和橫向的同步拉伸、冷熱處理制成薄膜，制得的薄膜縱、橫向的物理性能均衡，基本無弓形效應，幾乎不破膜，產品的物理性能優于縱橫雙向逐次拉伸，特別是薄膜的光學性能及表面幾何質量有了質的飛躍，應用于生產高端光學級薄膜、超薄薄膜以及許多其他具有極高穩定物理性能的薄膜。

同步拉伸工藝主要有線性電機驅動同步拉伸技術及機械欖閘式同步拉伸。線性電機的拉伸機構為德國布魯克納公司的專利技術。機械欖閘式機構又可分為拉伸比可調的和不可調的兩種，國內開發的為拉伸比不可調的同步拉伸。機械欖閘式同步拉伸在成本增加不多的條件下，使薄膜性能得到顯著改善，得到廣泛應用。

DMT公司基于機械縮放儀式系統的第二代MESIM機械欖閘式拉伸比可調的同步拉伸系統，不但消除了第一代MESIM的工藝限制，而且薄膜品質得到提高、降低了生產成本。第二代MESIM縱向拉伸在每個縮放接頭的薄膜側均有一個鏈夾，每個鏈夾將薄膜向縱向拉伸，只有將被修邊的少量膜邊未被拉伸，從而使拉伸最大限度地均勻化，同時破膜數量少，大大降低了影響薄膜質量的弓形效應。低速運轉速度沒有限制，非常適于低速運轉的特種厚膜生產。縱向和橫向拉伸比在生產速度高達300 m/min情況下也可自由調節。能量消耗與依次拉伸的生產線相似，比線性電機系統能耗低近50%。薄膜的加工范圍極廣，可以用來生產各種不同類型的薄膜，包括收縮膜、高阻隔膜、低熱封膜、超薄膜、光學膜以及BOPP、BOPET、BOPE、BOPA和BOPLA膜等。

機械欖閘式機構能夠實現的固定的2.5～6拉伸比(縱向)。BOPA的縱向拉伸比一般為3，而一些小型的用于試驗性或生產特殊薄膜的設備上的縱向拉伸比可達 4.5～5。ANDRITZ公司機械欖閘式拉伸比不可調同步雙向拉伸系統，提供了經濟實惠的解決方案，能在最高精度的情況下生產45°取向的高附加值的拉伸薄膜，能耗低產能高。縱向拉伸和橫向拉伸兩道工序合二為一，不但提高了拉伸比，而且擴大了拉伸比的范圍，薄膜的縱向拉伸比范圍達到0.6～7，橫向拉伸比范圍達到1～10。

長春工業大學[1]對BOPP同步機械欖閘式拉伸結構進行了其優化設計研究。在吸收國內外薄膜分步橫縱向拉伸、同步拉伸設備技術的基礎上，借助三維軟件對其相關零部件進行零件造型，在此基礎上進行運動模擬仿真，研究同步雙向拉伸設備的拉伸軌道與軌道鏈夾的配合，并且優化軌道設計。解決現有拉伸設備膜厚均勻性差的難題，以提高拉伸薄膜性能。根據薄膜同步雙向拉伸機的工作原理及結構特點，對拉伸鏈夾進行模型簡化，并從中提取出對心曲柄滑塊機構進行分析。根據對心曲柄滑塊機構的運動原理，利用D-H法建立運動學方程，應用ADAMS建立三維模型，并對其進行運動學仿真，得到了對心曲柄滑塊機構中各構件的位移、速度和加速度。通過運動學仿真的結果可得到對心曲柄滑塊機構運行的合理性，并且掌握個構件在機構運行時的關聯，可以靈活地設計對心曲柄滑塊機構以適應同步拉伸機的需要，從而簡化該裝置的設計過程。在對鏈夾運動分析的基礎上用拉格朗日方法建立運動學模型。用ADAMS軟件構造出同步拉伸機鏈夾的虛擬樣機模型，添加鏈夾的運動條件，對其空間運動軌跡進行反求得到理論軌道，與已有經驗模型進行對比分析，并對其進行優化設計，最終達到拉伸鏈夾運動的可靠性與穩定性要求。得到了薄膜拉伸過程中鏈夾的各節點運動參數的變化規律，對鏈夾的設計和提高薄膜拉伸質量有重要意義。運動學分析及仿真結果表明，通過計算機仿真實驗，對拉伸鏈夾的運動軌跡進行反求，由于軟件運算的精確性與快速性，結果得到了理想狀態下的勻速拉伸軌跡，進而能夠高效的對原有設備進行優化。優化后的同步雙向拉伸設備具有拉伸均勻，產出薄膜物理性能穩定等特性。

1.2 縱橫雙向逐次拉伸薄膜的技術創新現狀和進展

縱橫雙向逐次拉伸指在生產雙向拉伸薄膜時需經過兩次拉伸成形，一般是在加墊的同時，先進行縱向拉伸，然后將薄膜的兩邊用膜夾夾住，在拉幅機內進行橫向拉伸，可在同一橫拉機內完成必要的熱處理、冷卻處理，生產速度較高，可達200 m/min，并能完全達產，甚至超額生產。

縱橫雙向逐次拉伸生產雙向拉伸同比雙向同步拉伸，提高了延展性，拉伸強度、機械強度、斷裂伸長率，降低了破損率，更適合作為食品材料的外包裝，特別是真空及冷凍食品包裝上。

多層化縱橫雙向逐次拉伸生產雙向拉伸增強了薄膜的韌性的力學性能，提升了薄膜的水滲氣摻的阻隔性、耐寒耐熱性，提高了透明度、熱封性。延長了包裝品的壽命周期，提高了包裝的環境適應能力，拓展了包裝的應用領域。

努力解決MDO的劃傷及平整性的問題，提高薄膜表面反射和折射的光學性能。目前較厚薄膜MDO的劃傷是比較難解決的問題，它是控制、機械、工藝問題的綜合反映。在不改變現有強度的基礎上、革新縱向拉伸系統降低逐次拉伸薄膜的固有的弓形效應，使產品的表面均衡性質量達到雙向同步拉伸薄膜的質量水準。

努力解決MDO縱向薄厚波動。產生的因素可分二大類：機械因素；工藝因素。因素主要表現：樹脂塑化不良引起的熔膜波動；樹脂擠出溫度不引起的熔膜波動；牽引共振引起的熔膜波動；二牽電機及傳動系統轉速不均衡或者二牽輥不同心造成熔膜縱向波動。找出影響因素，進行改進。

創新耐高溫薄膜的拉伸技術。一般拉伸薄膜只能長時間使用在130～150℃環境下，現在有的包裝薄膜要求耐高溫在180～200℃，目前拉伸工藝條件下想要達到比較困難。創新努力提高促成薄膜纖維晶形成的各種條件的拉伸技術，提高結晶度和纖維晶的比例，滿足生產耐溫薄膜的要求。

汕頭市遠東輕化裝備有限公司吸收國外先進技術用新工藝開發FEBOPP型3層共擠縱橫雙向逐次拉伸聚丙烯薄膜生產線，采用平面雙軸向拉伸工藝，縱橫逐次拉伸法生產ABC、ABA或AC型的熱封型或非熱封型3層、雙層或單層BOPP膜。4200型生產薄膜寬度可達4 200 mm，生產速度50～200 m/min，年生產能力6 000 t；5200型生產薄膜最大寬度可達5 200 mm，生產速度50～200 m/min，年生產能力可達7 000 t；6200型生產薄膜最大寬度可達6 200 mm，生產速度50～250 m/min，年生產能力可達10 000 t。

FEBOPP型3層共擠縱橫雙向逐次拉伸聚丙烯薄膜生產線由原料處理、擠出塑化、鑄片定型、縱向拉伸、橫向拉伸、牽引、收卷、溫控及控制等系統構成。采用現代先進的計算機網絡技術，選用西門子公司的PLC-S5系列為下位機，摩托羅拉公司的工業計算機作上位機，人機對話方便，利于工藝參數的調整。有完善的數據分析功能，工藝流程由圖形式顯示、能及時判斷故障以排除，提高新產品的質量。設備關鍵部位均配套國際上先進的裝備，質量和工藝已達到國際先進水平，保證了生產及產品質量的需要。

2 共擠雙向拉伸薄膜綠色化成型技術的創新現狀和進展

持續創新基于生態環境保護的科技含量高、資源消耗低、環境污染少的共擠雙向拉伸薄膜綠色化成型技術，推動形成節約資源和保護環境的空間格局，持續發展人與自然和諧相處、經濟增長與資源環境協調發展的文明狀態。

2.1 節能高效擠出塑化技術的創新現狀和進展

塑化質量均一、熔融料溫穩定、擠出壓力恒定、計量精確等擠出塑化性能是實現雙向拉伸薄膜的厚度均勻性、熱收縮均勻性、光學性等各項物理性能同性的前提。根據共擠雙向拉伸薄膜為大批量生產特點，應開發針對特定原料的塑化擠出的專用化的節能高效擠出塑化系統。

塑化PET排氣式雙螺桿擠出機，兩個排氣口與兩個抽真空系統相連接，具有很好的抽排氣、除濕功能，可將物料中所含的水分和低聚物抽走，因而可以省去一套復雜的預結晶/干燥系統，節省投資并降低運行成本。

2.2 高速高產技術的創新現狀和進展

布魯克納公司（Brückner）采用結合提高能源和原材料效率的技術，同步和逐次拉伸線的最新技術概念，大大地降低雙向拉伸薄膜成本，在行業里提供最大幅寬(達10.4)，最快速度 (600 m/min以上)和最高產量(65 000 t/年)的薄膜拉伸線，增加30%的產量和生產率。7層共擠雙向拉伸薄膜機組，薄膜寬度4.2 m，膜厚為 12～30 μm，年產量可達3 000 m2，具有卓越的生產效率、高產能和高收益、穩定優異的薄膜質量以及最高的安全標準。

2.3 能量回收利用技術的創新現狀和進展

熱能回收利用技術。為了降低烘箱中低分子聚合物的濃度，不斷地從烘箱里抽出部分熱空氣，對抽出的熱空氣進行過濾再加熱后返回新風口重新利用，提高能源利用率。布魯克納BOPP生產線TDO熱空氣回收系統：通過重新利用排放的熱量，生產每噸產品最高可節約270 kWh,同時還可吸收冷凝水來提高薄膜質量，再生利用排放風的熱量并且吸收掉揮發出來VOC，同時改善薄膜的品質。

2.4 節能高效降耗驅動技術的創新現狀和進展

提高薄膜質量。布魯克納BOPP生產線MDO輥筒采用直接驅動，滿足了對特別敏感表層拉伸間隙的靈活選擇，避免了膜面經常有劃傷和雨絲的常見問題。獨特的MDO拉伸間隙可以使用較低的貼附速度，無需添加昂貴的貼覆材料成份便可實現高速生產的新潮流，包括擠出塑化驅動電動機在內都采用直接驅動，省去了變速箱、平皮帶和其他傳動裝置，可以實現節能，為生產線驅動系統再生能量。擠出，縱拉都采用水冷馬達，可以節約空調能量，提高了隔熱性能，進一步降低能耗。擠出塑化使用無需原料預干燥的雙螺桿擠出機。

2017年，浙江省制訂了《雙向拉伸塑料薄膜單位產品綜合能耗限額及計算方法》強制性地方標準，促使雙向拉伸塑料薄膜制品生產企業改進生產設備及工藝，預計每年可節約10.5萬～14萬t標準煤，有利于調整優化產業結構，推動行業技術進步，增強可持續發展能力，為企業實現節能生產提供技術指引，也為監管部門開展能源監察工作提供量化考核評價依據。

2.5 差異化共擠拉伸設備和技術的創新現狀和進展

Lindauer DORNIER GmbH量身定制的單、雙向拉伸薄膜生產的解決方案。拉伸生產線能夠根據薄膜的用途生產出所需厚度范圍的薄膜。BOPP和BOPET薄膜生產線的創新：最大寬度10.6 m，擠出量可達10 t/h，鏈軌配備極為可靠的SSDC鏈夾，最高速度可達600 m/min。創新縱向收縮夾及其應用在縱拉機和橫拉機的節能新技術。針對聚酯電容器薄膜，提供能生產最終厚度低至1 μm、切邊后寬度為5.5 m膜寬的設備；針對厚膜的應用，能提供生產最大薄膜厚度為400 μm、最大寬度為7 m薄膜的生產線。針對包裝薄膜的生產，能夠提供厚度范圍為8～125 μm，切邊后寬度為10.6 m，最高速度為600 m/min的薄膜生產線。針對聚丙烯薄膜的生產，可提供厚度范圍為10～50 μm，切邊后寬度為10.6 m，最高速度為600 m/min的生產線。

2.6 多能化共擠拉伸設備和技術的創新現狀和進展

德國Brückner公司雙向拉伸薄膜復合共擠或無定向拉伸薄膜復合共擠生產線，一條生產線可以同時適應多種不同材料的薄膜加工，如PP、PET、PA、PS、PET-G、PE、PLA、PVC或其他多種聚合物。可廣泛用于各種不同領域的薄膜加工，如超薄電容膜、白膜、高阻隔膜、低收縮膜、高收縮膜、多至七層的多層膜、低溫密封膜、光學或其他應用的PET厚膜、高透明度包裝膜、香煙包裝膜等。

奧地利SML蘭精公司EcoCompact拉伸纏繞膜生產線，可配置3～4臺擠出機，可選擇安裝3層或4層分流道系統，配備紅外測厚裝置和帶有邊條喂入的整套回收單元，可選裝自動收卷芯上芯和膜卷落卷儲料系統，可生產4×500 mm拉伸纏繞膜卷，結合高耐磨的導輥，W4000系列收卷機可收卷60 kg的超大膜卷。實際生產速度達600 m/min，凈產量達到1 200 kg/h。當生產厚度為12～23 μm的薄膜時，最高產量達到3 000 kg/h。生產線還使用了納米層技術，膜層數達到31層。根據客戶需求，實現訂制化。

2.7 功能化共擠雙向拉伸設備和技術的創新現狀和進展

PVDF共擠雙向拉伸生產線。美國Parkinson Technologies公司與Solxay Solexis公司合作開發出第一個雙向拉伸PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜，現生產的PVDF薄膜厚度為16 mm，加工PVDF溫度范圍和拉伸比一般適用材脂窄的多，若加工溫度超過適宜溫度范圍，則材料在縱向會發生斷裂和橫向發生破裂而無法得到最終的產品件。

多層共擠雙向拉伸生產線[2]。采用多層共擠雙向拉伸工藝技術可以生產多功能的、滿足不同用途的薄膜，如熱封膜、高阻隔膜、抗紫外線輻射膜等。3層BOPET共擠雙向拉伸生產線。廣東金明精機股份有限公司旗下汕頭市遠東輕化裝備有限公司成功開發3層共擠BOPET-2600雙向拉伸生產線，適應于光學膜工藝配方開發和小批量、多規格生產。共擠A-B-A 3層薄膜厚度：20～188 μm；機械速度：最大160 m/min有效寬度：2 600 mm；生產能力：5 000 t/年（按7 200 h算）。解決了在生產中薄膜污染和劃傷的難題，提高薄膜拉伸的均勻性，消除薄膜在光學性能上的各向異性；保持薄膜在高溫定型中形成的光滑表面，同時解決了烘箱中的低聚物濃度，特別適應于光學膜的工藝配方開發和小批量、多規格生產。

PETG材料的高收縮薄膜雙向拉伸專用生產線。目前沒有一條生產線能進行批量生產，試生產的有，改造的線也有，但適用性都不理想。薄膜霧度≤1%的光學薄膜專用生產線，需要解決的是在生產中薄膜不能有污染和劃傷、在高溫定型中保證烘箱中的低聚物濃度，形成的光滑表面和厚度均勻性，消除薄膜在光學性能上的各向異性。薄膜收縮率≤1%的耐溫低收縮薄膜生產線，熱定型過程中成型線速度太快, 結晶率達不到，內應力消除不完全；慢速生產由于風壓和風量不能變化引起薄膜的過度結晶, 薄膜的韌性降低，所以設備的設計應該服從產品的需要進行不斷地更新換代。

2.8 節料節能快速更換成型薄膜品種、規格的技術的創新現狀和進展

DMT公司所開發的雙向拉伸薄膜設備具有優異的技術特性，不僅可保證薄膜生產的高品質和高產量，而且可使客戶在極短的轉換時間內獲得極大的生產靈活性。特殊的擠出分流器可使薄膜生產商在很短的時間內，從一種薄膜構型轉換為另一種薄膜構型，而無需更換料倉中的原料。并且，任何一種薄膜構型均可在DMT設備上實現。同時，由于模唇具有高柔軟度，從而加大了薄膜的厚度范圍。以BOPP的生產為例，在不更換任何部件的情況下，同一模頭可生產8～80 μm的平膜。特殊的過濾器加熱設計，再加上相對較小的過濾器體，可確保內部適當的熔體流動，避免了因溫度過高或停留時間過長而導致熔體聚合物的降解。因此，在更換過濾器的過程中，無需對其進行清潔。僅需幾分鐘即可完成對過濾器燭體的更換，而無需拆除任何熔體管路。

2.9 清潔化生產技術的創新現狀和進展

設備的設計與工藝配合解決薄膜表面低聚物的污染。密封加料以杜絕原料在輸送和干燥過程中產生的粉塵量，同時提高旋風分離器的分離效果，減少PET之類原料在干燥時產生的氧降解。TDO橫拉機用好熱風凈化再利用系統，特別TDO熱定型段增加排風量,減少熱風循環系統熱風中的低聚物濃度。排除電暈處理對薄膜的污染。橫拉機內的所有傳動部件都采用無油潤滑，徹底解決潤滑油污染薄膜。縱向拉伸加熱輥采用紅外加熱、空氣冷卻的方法, 既能消除油水對環境的污染，又可以節約能源。薄膜切邊的位置提前，在橫向拉切的出口處即將邊膜切除，這樣因夾子夾持薄膜而造成的夾屑粉塵因為在牽引站前已經將切邊切掉，無法沾染到中間的薄膜，故不會對薄膜造成夾屑粉塵的污染。

（未完待續）