多层共挤流延膜成型设备与技术的创新现状和进展（上）

张友根

(上海浦东新区，上海 201200)

0 前言

多层共挤流延膜生产过程中，无三废物质产生，不会污染周边环境，对环境保护的适应性好。多层共挤流延膜与吹膜相比，其薄膜的阻隔性、透明性、光泽性、厚度均匀性等绿色性能都很出色，并且在生产成本方面具有回复优势。流延膜其后续工序，如印刷、复合等都极为方便。本文论述了多层共挤流延膜绿色高速成型技术、绿色成型技术、多层共挤流延模头技术的创新现状和进展，研究了多层共挤流延膜设备智能化绿色成型技术的创新现状和进展，简介了四例多层共挤流延功能化膜成型设备与技术的创新现状和进展，指出持续创新智能化、高速化、功能化、差异化等多层共挤流延膜成型设备与技术，拓展多层流延膜的潜在应用领域。

1 多层共挤流延膜绿色高速成型技术的创新现状和进展

高速成型提高设备资源的利用率，高速实现高产率，降低成型单位能耗。

多层共挤流延膜绿色高速成型涉及到机构、部件的高速运转性能及其控制技术。多层共挤流延生产线包括挤出机单元、分配器/模头成型单元、流延成型单元、测厚控制单元（多台挤出机组成）、电晕处理单元、牵引收卷单元、边料在线回收单元及电气控制单元。各单元高速运转性能，互相协调同步才能实现高速成型。

1.1 高速收卷技术的创新现状和进展

长期来，多层共挤流延膜绿色高速成型受收膜机卷取性能及控制技术的制约，卷绕速度只是400 m/min（弹性膜）和300 m/min（CPP）。近年来，流延膜的收膜机卷取性能及控制技术取得了突破，卷绕速度已达到600 m/min（弹性膜）和500 m/min（CPP）以上，生产线的生产速度不再受收膜机速度的限制，可以更高的速度和更小的张力将更薄、更宽的薄膜卷绕成直径更大、质量更好的膜卷。德国布鲁克纳机械制造公司制造出了世界上最大的收膜机，可以卷绕10 m宽的PP卷筒和直径1 524 mm（60"）、重近12 000 kg的膜卷。Davis-Standard的Meridian收膜机以635 m/min的速度卷绕。Battenfeld Gloucester公司的1002 DS（双轴）型收膜机在最高500 m/min的速度下卷绕弹性流延膜，可以生产8个20"宽的膜卷或者6个30"宽的膜卷。

1.2 低张力卷绕技术的创新现状和进展

CPP流延膜在卷绕后会随着48 h或48 h以上的结晶化而收缩，因此他是一种很难卷绕的产品。假如膜卷没有收缩需要的足够的空气，膜卷会变硬，并可能压碎轴芯。低张力的中心/表面卷绕可以在膜层之间夹进一定控制量的空气，低张力的优化控制提高CPP的膜卷质量。

Addex公司Superwind收膜机，有一组13台AC伺服电机，带直接扭矩控制——每个卷绕站6台，剩下的一台用于输进压辊。每个卷绕轴的一端使用大电机，另一端使用小电机进行轴的传动。鼓轮后托辊两真个、用光纤电缆连接的测力计监测实际张力。Superwind根据所有驱动机构传递来的扭矩数据控制张力，仅使用测力计调准和校验张力。这套系统可以提供更加精确的张力控制，其精确度在2%～3%之内，而仅依靠测力计进行张力控制的精确度是10%～15%。Kirion W-M（Wintech Multi-purpose）多功能表面/中心/间隙收膜机可以在卷绕极薄的薄膜时，将张力控制到40 N。德仕威多层共挤流延膜生产线的收卷翻转架旋转采用变频控制方式，可实现机架的缓速启动和缓速停止，由此提高停位精度，使薄膜的收卷张力更加稳定，任意锥度张力设定可保证恒扭矩的收卷，可有效地防止膜卷在收卷过程中的缩紧现象，得到整齐的收卷效果，实现高速卷绕。

1.3 冷却棍的骤冷定型技术的创新现状和进展

冷却辊的骤冷定型性能对薄膜的冷却效率和薄膜在宽度方向的均匀性以及产量具有重要作用。冷却过程是导热、对流、辐射综合的三维非稳态周期传热。薄膜冷却过程中的热量主要由流延辊带走。双进双出螺旋流道在不改变流道截面面积的情况下，流道的长宽比越大辊筒的换热效果越好。冷却速率与薄膜厚度、辊筒转速之间相互关联。

中山松德公司CPP流延膜生产线优化主冷却辊的材料及内壁螺旋冷却流道结构，配备水温自动控制系统，保证主冷辊的进水温度与出水温度的温差在±1°C以内，使主冷辊在高速运转的情况下得到最佳质量的薄膜。

多层共挤多功能阻隔流延薄膜挤出成型时，采用分级冷却，保证各层的平面度质量。如C与E层含有PA的7层共挤流延膜，为避免PA因急冷而导致薄膜起皱，应采用分级冷却，流延辊的辊面温度一般为30～45℃，冷却辊的辊面温度一般为20～25℃。辊面表面温度误差应控制在≤±1℃的水平，以提高制品品质。

2 多层共挤流延膜绿色成型技术的创新现状和进展

多层共挤流延膜绿色成型技术绿色化创新主要内涵：最大限度地减少对环境的负面影响，诸如噪音、振动、热、化学物质以及点辐射等对人类健康损害的要素，均不应对环境产生污染和对生态环境的破坏，洁净人类生存环境的健康化。

2.1 能源回收利用技术的创新现状和进展

挤出加热散发的余热是可以利用的二次能源，同时也是减少热污染的最主要措施。废热用于加热需要升温的原料；既回收了废热，节约了能源，又防止了环境的热污染。

广东仕诚塑料机械有限公司新一代4800CPP流延膜生产线，更节能环保，集中收集薄膜定型系统热量，夏天可减少排放的热量，节约空调用电；冬天，排放的热量可集中到熟化架，定型效果更好，可减少油加热。采用超低平台设计，降低厂房高度要求，为客户节省成本。

2.2 高效低能耗挤出塑化技术的创新现状和进展

江门市辉隆塑料机械有限公司根据流延挤出的特点，采用动态平衡节能挤出机，具有挤出量大、塑化混炼均匀、挤出混度低、能耗低、物料适应性强，并且能使挤出过程中产生部分的分子极性和增加挤出膜与复合基材的结合度。

绍兴博瑞挤出设备有限公司围节约能耗创新流延薄膜装备的节能设计。5.3 m流延CPP薄膜设备采用超小长径比(L/D=22～25)挤出机，相对于L/D=32的挤出机来说，需要加热的面积和散热面积同步减少21.87%～31.25%。在不更改过滤面积的前提下尽可能采用散热面积最小的过滤方式，以达到降低换网器的热损耗。采用柔性管道连接，使用超低能耗的加热带缠绕加热，外套保温套，既能够起到节能的效果又具有安全作用。

松德机械股份有限公司对挤出机螺杆的相关参数进行计算和修改，增加计量段长度，增加计量段深度，适度增加螺杆转速，增大机头压力，达到低能耗高产量。

2.3 节能降耗冷却定型技术的创新现状和进展

绍兴博瑞挤出设备有限公司CPP生产线，研究CPP薄膜在冷却辊上的降温及结晶，针对薄膜快速冷却的径向区域很短的实际，减小冷却辊直径，达到降低配置驱动器规格及功率、能耗。研究了薄膜冷却结晶过程以后，用冷却软风箱取代冷冻机组，并去掉后冷却辊及其伺服电机、水循环水泵、变频器等驱动、控制系统，不但降低了驱动消耗，而且提高了设备的竞争能力。

2.4 边料回收利用技术的创新现状和进展

边料回收利用装置包括边料粉碎机、边料风机、输送管道、不锈钢旋风除尘器、粉料输送螺杆等；粉碎后的边料经风机通过管道输送至旋风除尘器，经旋风除尘器分离后由粉料输送螺杆强制输送到中层挤出机中。

德国的Reifenh公司新的7层CPP生产线，收卷棍两边设置封装装置，用以减少废料和边角料的产生，并将边角料再投入其中1台挤出机中，从而提高了回收率，降低了加工成本。

德仕威多层共挤流延膜生产线配备边料切割、导出和回收装置3套顶紧稳定切边装置、1套边料导出装置以及1套在线边料回收装置。

绍兴博瑞挤出设备有限公司边料回收系统破碎机旁通风路的开通，充分发挥回收风机之效率，提高边条风口的吸入效率，降低回收风机的配置功率及功率消耗，配之回收料斗的旁通进料，使得整个回收系统的能耗相对于同行下降37%。

2.5 拓展成型原料适应能力技术的创新现状和进展

一般设备加工CPE共挤流延膜为流延级PE（MI：42 g/10 min或者以上），成本比吹膜高。松德机械股份有限公司创新出能用吹膜级PE（MI:2 g/10 min，以线性LLDPE和低压HDPE为主的原料）原料生产流延膜的3层共挤CPE生产线，宽度2 400 mm，产量可达600 kg/h以上, 相当于4～5台吹膜设备的产量。这款设备攻克了以往设备必须采用流延膜原料，原材料贵，且生产出的CPE流延膜纵、横向拉伸强度不够的两大不足，不但降低了生产成本，而且提高了薄膜的拉伸强度。薄膜晶点少、透明度高，可满足高速无溶剂热复合和自动包装机的识别性能的要求。

技术创新主要点：

PE挤出机。特点在于小螺杆，高转速，小压缩比，高的表面光洁度，熔体输送管道尽量缩短，有效降低熔体输送过程中的压力降，给模具进口提供压力稳定的熔体。

二次结晶单元：通过几条连续的加热辊，对膜面进行加热，促进小结晶生长，结晶度得到提升，控制了后收缩，膜面尺寸稳定，在进入收卷可进行在线分切，可同时温度也可实现开口爽滑剂的析出，方便后段的收卷成型，同时，二次结晶对膜面的纵向拉伸强度有显著的提升效果，对横向的拉伸强度也有一定的帮助。二次结晶单元，不但促进爽滑开口剂的析出，而且同时具备了回火定型功能，在收卷过程中有效地克服了传统PE收卷过程中的板结以及在线分切产品的尺寸稳定性等现象。

2.6 高阻隔多层化流延膜成型技术的创新现状和进展

近年来，随着机械加工和制造技术的超精度化，智能化控制技术的发展，超精度的多层化模具制造成为现实。多层共挤流延膜由流行的3层、5层，发展到7层、9层、11层共挤生产线，国外已出现了超过11层的多层共挤流延膜生产线。

美国巴顿菲尔格罗斯特工程公司17层共挤流延膜复合阻隔膜生产线，可为客户进一步扩展成为34层复合薄膜生产线。该生产线包括9台挤出机，巴顿菲尔·格罗斯特工程公司的型号1011S卷绕设备。独特设计的9层或17层膜集料器和普适性的模头，配以弹出式钢制卷芯或者设置在弹出式气压钢轴上的纸制卷芯来卷绕薄膜，以及改进的流延膜生产设备都将有助于降低昂贵的阻隔薄膜树脂的用量。

持续提高多层共挤流延膜设备和技术的科技含量。朝阳佛瑞达科技有限公司2015年从德国进口货值330万欧元11层流延膜生产线一套，具有环保、节能、低排放、易回收等特点，其膜的透明度、平整度和热封性均属世界一流，且印刷、复合极为方便。广泛用于鲜肉、农产品、乳制品、食品、医药包装等高端产品的真空软包装。同时也说明我国多层共挤流延膜设备和技术与国际先进技术还存在差距。

2.7 生态健康化热能清洁化技术的创新现状和进展

挤出塑化电磁感应加热系统，加热效率能够达到90%，降低二氧化碳的排放量，具有优异的节能、环保、实时的绿色化性能。

2.8 流延膜微积层倍增复合膜技术创新现状和进展

在传统的多层复合技术之外，基于模头技术革新的微层复合技术可谓多层技术发展的一大创新。

微积层倍增共挤出技术，主要由微层分配器、复合倍增器、包覆分配器和歧管式或衣架式模头共同组成，由3台或3台以上的挤出机提供原料，实现在0.01～0.1 mm范围内的50～1 000层以上的微层共挤。微层分配器是向复合倍增器提供一种层流叠加的装置，由一个或多个板块层叠组成，其结构板块上设置有若干个流层通道，多个板块叠加之后各层流道通口是相通的，其进料溶体从结构板块的各个流道中注入，并通过各层通口分配后形成叠加层，复合倍增器是一种压力降低机制的均衡聚合物流道，以便将不同黏度的聚合物和层叠料流熔融结合在一起，经过重复倍增合并一个整体型熔脂膜再经过歧管式流道压缩拉伸，最后达到理想产品。例如，单层薄膜采用4倍增叠层处理，经过五级处理就可以达到1 000多层；原始薄膜为4层薄膜，只需要4级倍增就可以达到1 000层。对于100 μm厚的薄膜，1 024层的每一个微层达到纳米级。

倍增复合可实现不同物料的组合结构，配合外表面包覆层复合分配器使用可随意切换、调节更换表层复合比例、物料结构，错层叠加的薄膜具有非常好的黏性、柔韧性和抗撕裂性、光学特性、阻隔性能等薄膜的性能大幅度提高，探索薄膜的未知的绿色性能，拓展薄膜的“现实需求”和“潜在需求”的绿色领域。

Nordson EDI公司采用陶氏化学公司的“层倍增”设计，制造出了适用于标准厚度的多微层型复杂结构的流延平模头系统，Contour流延薄膜模头上加装层倍增系统，用于生产由数十个超薄微层膜构成的标准厚度光伏薄膜。只对核心层进行层倍增的技术，为17层结构通过核心层倍增达到82层。 EDI从只对核心层进行层倍增的技术，陆续推出选择倍增、对活性层倍增的技术。

国内模头行业领先企业精诚时代集团也推出了自主开发的微层复合共挤模头，用于光学、阻隔薄膜等应用。可以实现在0.01～0.1 mm范围内的50～1 000层以上的微层共挤复合，成功为客户生产的100多层共挤复合彩虹膜。

辊组微层复合技术。Davis-Standard公司挤出辊架系统同样可以实现薄膜的层叠倍增，其XP Express利用层倍增器技术用于微层复合可以加工超过100层的。从这一技术所能够带来的诸多优势以及目前研究与商业化进展来看，未来这一技术可能开拓更广泛的应用空间。

3 多层共挤流延模头技术的创新现状和进展

多层共挤流涎膜衣架式模头与多层共挤分配系统，带有灵活的模块组合式分配器配上特殊的单流模头可将多种不同物料复合在一起的多层共挤模头。多层共挤流延模头内设有特殊滞留槽，能保证材料流动时的均匀一致。多层共挤分配系统设置在熔体流向T型模头前的层式分配结构，配置不锈钢棒式加热器，设置每层流量单独调节机构。

多层共挤流延模头控制精度非常高，薄膜厚度控制精度±3%。模头内多层复合结构把各层均匀稳定地结合一起，各层厚度比例任意调节。

3.1 多层化流延摸头的技术创新现状和进展

多层化流延摸头的制作繁杂、制造精度极高。多层共挤流延模头按复合的方式可分为多层分配器共挤和多层模内共挤两种型式。

多层分配器共挤流延摸头。多层共挤的分层由分配器实现各组熔体通过分流器后将排列成所需的结构使之均衡流出，调节分配器中各层流道的开口度达到每一层薄膜厚度的均匀性。分配器为独立部件，有利于降低模头的制造复杂系数。精诚时代集团5 000 mmCPP流延膜模头配合5层共挤分配器，优化的宽幅多层共挤创新设计，呈现完美的高线速度，产能达2 000 kg/h以上，为包装行业带来高产能低能耗解决方案。

多层模内共挤流延模头。模内共挤复合能更好的控制各层的复合比例，在复合精度和复合层比例方面独具优势。分配器表层复合比例都不低于10%，而模内共挤复合的表层最薄可达到5%，有利于降低表层原料成本。挤出熔融料进入流道后互不干涉，直到距离模唇口一小段位置开始复合，缩短了复合停留时间，有效地降低了各层之间复合时的影响。在设定的温度、压力状态下，材料的模内温度差异化热复合，可以确保良好的材料性能。超宽幅的多层模内共挤，必须对每一层原料的复合比例、工艺温度、压力、滞留时间等等进行精确的计算，再结合实际的生产需求进行微调。精诚时代集团7 000 mmCPP3层模内共挤模头，表面层≤10%，产量100～2 500 kg/h。1 800 mm高效隔热型两层模内共挤模头，两种材料生产工艺最大温差可以达到80℃（常规的是20～40℃之间）。

3.2 摸头快速更换产品技术的创新现状和进展

多层共挤流延膜头资源节约型成型技术的创新焦点是能加快产品更换减少排放料、缩短调整和维修的停机时间、降低原料损耗。

一般扁平模头的集料管是上下半模或模体之间的流道，模体偏转是由挤出机加至集料管中的聚合物熔体压力所引起的，更换产品，需要花较长时间重新校准模体偏转，在停顿时就产生了很多的废物，一般都要产生300 kg左右的过渡性材料，浪费能耗，提高薄膜生产成本。

美国Nordson EDI公司Contour™流延膜曲身模头，适用于加工热敏性材料和挤出量变化频繁的产品。曲身模头采用的是“雕塑”结构，在模头两端会呈纺锤形逐渐缩小，这一独特的形状可抵消模头宽度方向上模身所产生的不一致的形变，实现熔体的流线型流动， 能够比传统衣架型模头更快获得合格的薄膜，同时仍然能使熔融体平滑地流动。此外，该模头能保证更均匀的横向厚度，并能获得更均匀的共挤层结构。内封堵装置使加工业者不但不会因变更产品宽度而造成停机，同时又能实现这一造型独特的模头所能达到的速度和精度，横向产品均匀性最多提高25%且减少凝胶的形成。曲身模头采用流线型减缩流道设计，比标准衣架型模头更易调节，可更快速启动并达到稳定，使得产品转换时的流道清洗和颜色改变用时大幅减少，排空残料所需时间更短，并可以加速产品更换，改变宽度时停产时间可缩短达2天，凭节约的树脂就可收回成本。利用专为提高“分离和清洗”过程中的安全性和便利性而设计的辅助设备，缩短日常维护的停机时间。完整系统解决方案：依迪埃双腔真空箱、依迪埃 Ultraflow™共挤喂料块、依迪埃 UltraSplit™在线模头分离设备、Autoflex™自动或手动厚度控制。与Nordson EDI公司合作的一家全球薄膜制造商进行的工业化规模试生产中，与衣架式模头相比，新一代Contour Die达到更精密的厚度公差，因而可以节省原材料，据估算每年可节约20万美元。

3.3 模头唇边绿色化技术的创新创新现状和进展

流延膜成型过程中，由于塑料受热分解或低分子析出物极易在模唇处产生残留物的堆积，如不及时清除极易夹带在膜中，造成内容物中杂质含量超标或在薄膜表面产生明显的划痕，降低产品合格率及浪费原料和能耗。

UltraLip™清洁膜唇刮板组件，由两个刮唇组件所组成，组件移动与带螺纹的驱动螺杆保持一致，可以利用简易手柄发动链轮齿式驱动，从模头任一侧面中来操控螺杆，分别针对上唇面和下唇面，他们在不到1 min的时间内穿过一普通模头的宽度，刮掉模唇上的累积物，明显缩短流延膜停机时间。

低析出功能母料，提高膜唇清洁寿命周期，提高薄膜光洁度质量。江苏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。

德仕威多层共挤流延膜生产线，模头模唇为柔性模唇型式，并以最有效的间距调节点（25.4 mm）来确保柔性模唇所用的金属材质不会因受到熔体流反压的影响而引起模唇间隙的变化，能更有效地微调模头横向宽度上的熔体厚度偏差。

EDI公司的EverSharp™膜唇采用碳化钨涂层，能使唇边保持锋利的寿命周期比传统硬质工具钢长了4～6倍，降低薄膜流经的剪切热达到降低热分解及低分子析出物，提高了薄膜薄膜高精度质量。