双向拉伸薄膜工程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

双向拉伸薄膜技术（平膜法）具有生产效率高、质量稳定等优点，双向拉伸使聚合物中的高分子链沿作用力方向发生排列取向，从而达到调节、改善高分子聚合物的聚集态结构，同比吹塑、流延薄膜在厚度减薄一半的情况下，仍具有相近的强度、刚性，尺寸稳定性、光学性能、厚薄均匀性等方面具有无法比拟的优势，成为薄膜制造中最重要的一种先进绿色化工艺技术。本文研究了双向拉伸薄膜的拉伸技术和成型技术的创新现状和进展；论述了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；探讨了生态环保特种膜共挤双向拉伸技术的创新现状和进展；分析了双向拉伸技术拓展生物降解塑料薄膜的应用领域；指出创新共挤双向拉伸薄膜工程技术，开发共挤双向拉伸特种薄膜工程技术，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。

1 双向拉伸薄膜的拉伸技术创新现状和进展

双向拉伸将多组塑料通过挤出机加热熔融挤出厚片后，在玻璃化温度以上、熔点以下的适当温度范围内（高弹态下），通过纵拉机与横拉机时，在外力作用下，同步/依次沿纵向和横向进行一定倍数的拉伸，从而使塑料的分子链或结晶面在平行于薄膜平面的方向上进行取向而有序排列，然后在拉紧状态下进行热定型使取向的大分子结构固定下来，最后经冷却及后续处理便可制得理想的塑料薄膜。

双向拉伸分双向同步（一步法）拉伸和双向逐次（依次法，两步法）拉伸两种方法，系出同源，又略有不同。两种工艺生产的薄膜特性不同，应用领域也不同。

双向拉伸薄膜的技术创新要点：积极引进、消化国际上双向拉伸新技术，改革、创新双向拉伸技术，实现高质高速高产低能耗的绿色化生产。

1.1 双向同步拉伸（MESIM）薄膜的技术创新现状和进展

双向同步法是拉伸时将挤出的塑料片材在同一拉伸机内，薄膜不接触任何辊筒的表面，完成纵向和横向的同步拉伸、冷热处理制成薄膜，制得的薄膜纵、横向的物理性能均衡，基本无弓形效应，几乎不破膜，产品的物理性能优于纵横双向逐次拉伸，特别是薄膜的光学性能及表面几何质量有了质的飞跃，应用于生产高端光学级薄膜、超薄薄膜以及许多其他具有极高稳定物理性能的薄膜。

同步拉伸工艺主要有线性电机驱动同步拉伸技术及机械榄闸式同步拉伸。线性电机的拉伸机构为德国布鲁克纳公司的专利技术。机械榄闸式机构又可分为拉伸比可调的和不可调的两种，国内开发的为拉伸比不可调的同步拉伸。机械榄闸式同步拉伸在成本增加不多的条件下，使薄膜性能得到显著改善，得到广泛应用。

DMT公司基于机械缩放仪式系统的第二代MESIM机械榄闸式拉伸比可调的同步拉伸系统，不但消除了第一代MESIM的工艺限制，而且薄膜品质得到提高、降低了生产成本。第二代MESIM纵向拉伸在每个缩放接头的薄膜侧均有一个链夹，每个链夹将薄膜向纵向拉伸，只有将被修边的少量膜边未被拉伸，从而使拉伸最大限度地均匀化，同时破膜数量少，大大降低了影响薄膜质量的弓形效应。低速运转速度没有限制，非常适于低速运转的特种厚膜生产。纵向和横向拉伸比在生产速度高达300 m/min情况下也可自由调节。能量消耗与依次拉伸的生产线相似，比线性电机系统能耗低近50%。薄膜的加工范围极广，可以用来生产各种不同类型的薄膜，包括收缩膜、高阻隔膜、低热封膜、超薄膜、光学膜以及BOPP、BOPET、BOPE、BOPA和BOPLA膜等。

机械榄闸式机构能够实现的固定的2.5～6拉伸比(纵向)。BOPA的纵向拉伸比一般为3，而一些小型的用于试验性或生产特殊薄膜的设备上的纵向拉伸比可达 4.5～5。ANDRITZ公司机械榄闸式拉伸比不可调同步双向拉伸系统，提供了经济实惠的解决方案，能在最高精度的情况下生产45°取向的高附加值的拉伸薄膜，能耗低产能高。纵向拉伸和横向拉伸两道工序合二为一，不但提高了拉伸比，而且扩大了拉伸比的范围，薄膜的纵向拉伸比范围达到0.6～7，横向拉伸比范围达到1～10。

长春工业大学[1]对BOPP同步机械榄闸式拉伸结构进行了其优化设计研究。在吸收国内外薄膜分步横纵向拉伸、同步拉伸设备技术的基础上，借助三维软件对其相关零部件进行零件造型，在此基础上进行运动模拟仿真，研究同步双向拉伸设备的拉伸轨道与轨道链夹的配合，并且优化轨道设计。解决现有拉伸设备膜厚均匀性差的难题，以提高拉伸薄膜性能。根据薄膜同步双向拉伸机的工作原理及结构特点，对拉伸链夹进行模型简化，并从中提取出对心曲柄滑块机构进行分析。根据对心曲柄滑块机构的运动原理，利用D-H法建立运动学方程，应用ADAMS建立三维模型，并对其进行运动学仿真，得到了对心曲柄滑块机构中各构件的位移、速度和加速度。通过运动学仿真的结果可得到对心曲柄滑块机构运行的合理性，并且掌握个构件在机构运行时的关联，可以灵活地设计对心曲柄滑块机构以适应同步拉伸机的需要，从而简化该装置的设计过程。在对链夹运动分析的基础上用拉格朗日方法建立运动学模型。用ADAMS软件构造出同步拉伸机链夹的虚拟样机模型，添加链夹的运动条件，对其空间运动轨迹进行反求得到理论轨道，与已有经验模型进行对比分析，并对其进行优化设计，最终达到拉伸链夹运动的可靠性与稳定性要求。得到了薄膜拉伸过程中链夹的各节点运动参数的变化规律，对链夹的设计和提高薄膜拉伸质量有重要意义。运动学分析及仿真结果表明，通过计算机仿真实验，对拉伸链夹的运动轨迹进行反求，由于软件运算的精确性与快速性，结果得到了理想状态下的匀速拉伸轨迹，进而能够高效的对原有设备进行优化。优化后的同步双向拉伸设备具有拉伸均匀，产出薄膜物理性能稳定等特性。

1.2 纵横双向逐次拉伸薄膜的技术创新现状和进展

纵横双向逐次拉伸指在生产双向拉伸薄膜时需经过两次拉伸成形，一般是在加垫的同时，先进行纵向拉伸，然后将薄膜的两边用膜夹夹住，在拉幅机内进行横向拉伸，可在同一横拉机内完成必要的热处理、冷却处理，生产速度较高，可达200 m/min，并能完全达产，甚至超额生产。

纵横双向逐次拉伸生产双向拉伸同比双向同步拉伸，提高了延展性，拉伸强度、机械强度、断裂伸长率，降低了破损率，更适合作为食品材料的外包装，特别是真空及冷冻食品包装上。

多层化纵横双向逐次拉伸生产双向拉伸增强了薄膜的韧性的力学性能，提升了薄膜的水渗气掺的阻隔性、耐寒耐热性，提高了透明度、热封性。延长了包装品的寿命周期，提高了包装的环境适应能力，拓展了包装的应用领域。

努力解决MDO的划伤及平整性的问题，提高薄膜表面反射和折射的光学性能。目前较厚薄膜MDO的划伤是比较难解决的问题，它是控制、机械、工艺问题的综合反映。在不改变现有强度的基础上、革新纵向拉伸系统降低逐次拉伸薄膜的固有的弓形效应，使产品的表面均衡性质量达到双向同步拉伸薄膜的质量水准。

努力解决MDO纵向薄厚波动。产生的因素可分二大类：机械因素；工艺因素。因素主要表现：树脂塑化不良引起的熔膜波动；树脂挤出温度不引起的熔膜波动；牵引共振引起的熔膜波动；二牵电机及传动系统转速不均衡或者二牵辊不同心造成熔膜纵向波动。找出影响因素，进行改进。

创新耐高温薄膜的拉伸技术。一般拉伸薄膜只能长时间使用在130～150℃环境下，现在有的包装薄膜要求耐高温在180～200℃，目前拉伸工艺条件下想要达到比较困难。创新努力提高促成薄膜纤维晶形成的各种条件的拉伸技术，提高结晶度和纤维晶的比例，满足生产耐温薄膜的要求。

汕头市远东轻化装备有限公司吸收国外先进技术用新工艺开发FEBOPP型3层共挤纵横双向逐次拉伸聚丙烯薄膜生产线，采用平面双轴向拉伸工艺，纵横逐次拉伸法生产ABC、ABA或AC型的热封型或非热封型3层、双层或单层BOPP膜。4200型生产薄膜宽度可达4 200 mm，生产速度50～200 m/min，年生产能力6 000 t；5200型生产薄膜最大宽度可达5 200 mm，生产速度50～200 m/min，年生产能力可达7 000 t；6200型生产薄膜最大宽度可达6 200 mm，生产速度50～250 m/min，年生产能力可达10 000 t。

FEBOPP型3层共挤纵横双向逐次拉伸聚丙烯薄膜生产线由原料处理、挤出塑化、铸片定型、纵向拉伸、横向拉伸、牵引、收卷、温控及控制等系统构成。采用现代先进的计算机网络技术，选用西门子公司的PLC-S5系列为下位机，摩托罗拉公司的工业计算机作上位机，人机对话方便，利于工艺参数的调整。有完善的数据分析功能，工艺流程由图形式显示、能及时判断故障以排除，提高新产品的质量。设备关键部位均配套国际上先进的装备，质量和工艺已达到国际先进水平，保证了生产及产品质量的需要。

2 共挤双向拉伸薄膜绿色化成型技术的创新现状和进展

持续创新基于生态环境保护的科技含量高、资源消耗低、环境污染少的共挤双向拉伸薄膜绿色化成型技术，推动形成节约资源和保护环境的空间格局，持续发展人与自然和谐相处、经济增长与资源环境协调发展的文明状态。

2.1 节能高效挤出塑化技术的创新现状和进展

塑化质量均一、熔融料温稳定、挤出压力恒定、计量精确等挤出塑化性能是实现双向拉伸薄膜的厚度均匀性、热收缩均匀性、光学性等各项物理性能同性的前提。根据共挤双向拉伸薄膜为大批量生产特点，应开发针对特定原料的塑化挤出的专用化的节能高效挤出塑化系统。

塑化PET排气式双螺杆挤出机，两个排气口与两个抽真空系统相连接，具有很好的抽排气、除湿功能，可将物料中所含的水分和低聚物抽走，因而可以省去一套复杂的预结晶/干燥系统，节省投资并降低运行成本。

2.2 高速高产技术的创新现状和进展

布鲁克纳公司（Brückner）采用结合提高能源和原材料效率的技术，同步和逐次拉伸线的最新技术概念，大大地降低双向拉伸薄膜成本，在行业里提供最大幅宽(达10.4)，最快速度 (600 m/min以上)和最高产量(65 000 t/年)的薄膜拉伸线，增加30%的产量和生产率。7层共挤双向拉伸薄膜机组，薄膜宽度4.2 m，膜厚为 12～30 μm，年产量可达3 000 m2，具有卓越的生产效率、高产能和高收益、稳定优异的薄膜质量以及最高的安全标准。

2.3 能量回收利用技术的创新现状和进展

热能回收利用技术。为了降低烘箱中低分子聚合物的浓度，不断地从烘箱里抽出部分热空气，对抽出的热空气进行过滤再加热后返回新风口重新利用，提高能源利用率。布鲁克纳BOPP生产线TDO热空气回收系统：通过重新利用排放的热量，生产每吨产品最高可节约270 kWh,同时还可吸收冷凝水来提高薄膜质量，再生利用排放风的热量并且吸收掉挥发出来VOC，同时改善薄膜的品质。

2.4 节能高效降耗驱动技术的创新现状和进展

提高薄膜质量。布鲁克纳BOPP生产线MDO辊筒采用直接驱动，满足了对特别敏感表层拉伸间隙的灵活选择，避免了膜面经常有划伤和雨丝的常见问题。独特的MDO拉伸间隙可以使用较低的贴附速度，无需添加昂贵的贴覆材料成份便可实现高速生产的新潮流，包括挤出塑化驱动电动机在内都采用直接驱动，省去了变速箱、平皮带和其他传动装置，可以实现节能，为生产线驱动系统再生能量。挤出，纵拉都采用水冷马达，可以节约空调能量，提高了隔热性能，进一步降低能耗。挤出塑化使用无需原料预干燥的双螺杆挤出机。

2017年，浙江省制订了《双向拉伸塑料薄膜单位产品综合能耗限额及计算方法》强制性地方标准，促使双向拉伸塑料薄膜制品生产企业改进生产设备及工艺，预计每年可节约10.5万～14万t标准煤，有利于调整优化产业结构，推动行业技术进步，增强可持续发展能力，为企业实现节能生产提供技术指引，也为监管部门开展能源监察工作提供量化考核评价依据。

2.5 差异化共挤拉伸设备和技术的创新现状和进展

Lindauer DORNIER GmbH量身定制的单、双向拉伸薄膜生产的解决方案。拉伸生产线能够根据薄膜的用途生产出所需厚度范围的薄膜。BOPP和BOPET薄膜生产线的创新：最大宽度10.6 m，挤出量可达10 t/h，链轨配备极为可靠的SSDC链夹，最高速度可达600 m/min。创新纵向收缩夹及其应用在纵拉机和横拉机的节能新技术。针对聚酯电容器薄膜，提供能生产最终厚度低至1 μm、切边后宽度为5.5 m膜宽的设备；针对厚膜的应用，能提供生产最大薄膜厚度为400 μm、最大宽度为7 m薄膜的生产线。针对包装薄膜的生产，能够提供厚度范围为8～125 μm，切边后宽度为10.6 m，最高速度为600 m/min的薄膜生产线。针对聚丙烯薄膜的生产，可提供厚度范围为10～50 μm，切边后宽度为10.6 m，最高速度为600 m/min的生产线。

2.6 多能化共挤拉伸设备和技术的创新现状和进展

德国Brückner公司双向拉伸薄膜复合共挤或无定向拉伸薄膜复合共挤生产线，一条生产线可以同时适应多种不同材料的薄膜加工，如PP、PET、PA、PS、PET-G、PE、PLA、PVC或其他多种聚合物。可广泛用于各种不同领域的薄膜加工，如超薄电容膜、白膜、高阻隔膜、低收缩膜、高收缩膜、多至七层的多层膜、低温密封膜、光学或其他应用的PET厚膜、高透明度包装膜、香烟包装膜等。

奥地利SML兰精公司EcoCompact拉伸缠绕膜生产线，可配置3～4台挤出机，可选择安装3层或4层分流道系统，配备红外测厚装置和带有边条喂入的整套回收单元，可选装自动收卷芯上芯和膜卷落卷储料系统，可生产4×500 mm拉伸缠绕膜卷，结合高耐磨的导辊，W4000系列收卷机可收卷60 kg的超大膜卷。实际生产速度达600 m/min，净产量达到1 200 kg/h。当生产厚度为12～23 μm的薄膜时，最高产量达到3 000 kg/h。生产线还使用了纳米层技术，膜层数达到31层。根据客户需求，实现订制化。

2.7 功能化共挤双向拉伸设备和技术的创新现状和进展

PVDF共挤双向拉伸生产线。美国Parkinson Technologies公司与Solxay Solexis公司合作开发出第一个双向拉伸PVDF（聚偏氟乙烯）薄膜，现生产的PVDF薄膜厚度为16 mm，加工PVDF温度范围和拉伸比一般适用材脂窄的多，若加工温度超过适宜温度范围，则材料在纵向会发生断裂和横向发生破裂而无法得到最终的产品件。

多层共挤双向拉伸生产线[2]。采用多层共挤双向拉伸工艺技术可以生产多功能的、满足不同用途的薄膜，如热封膜、高阻隔膜、抗紫外线辐射膜等。3层BOPET共挤双向拉伸生产线。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成功开发3层共挤BOPET-2600双向拉伸生产线，适应于光学膜工艺配方开发和小批量、多规格生产。共挤A-B-A 3层薄膜厚度：20～188 μm；机械速度：最大160 m/min有效宽度：2 600 mm；生产能力：5 000 t/年（按7 200 h算）。解决了在生产中薄膜污染和划伤的难题，提高薄膜拉伸的均匀性，消除薄膜在光学性能上的各向异性；保持薄膜在高温定型中形成的光滑表面，同时解决了烘箱中的低聚物浓度，特别适应于光学膜的工艺配方开发和小批量、多规格生产。

PETG材料的高收缩薄膜双向拉伸专用生产线。目前没有一条生产线能进行批量生产，试生产的有，改造的线也有，但适用性都不理想。薄膜雾度≤1%的光学薄膜专用生产线，需要解决的是在生产中薄膜不能有污染和划伤、在高温定型中保证烘箱中的低聚物浓度，形成的光滑表面和厚度均匀性，消除薄膜在光学性能上的各向异性。薄膜收缩率≤1%的耐温低收缩薄膜生产线，热定型过程中成型线速度太快, 结晶率达不到，内应力消除不完全；慢速生产由于风压和风量不能变化引起薄膜的过度结晶, 薄膜的韧性降低，所以设备的设计应该服从产品的需要进行不断地更新换代。

2.8 节料节能快速更换成型薄膜品种、规格的技术的创新现状和进展

DMT公司所开发的双向拉伸薄膜设备具有优异的技术特性，不仅可保证薄膜生产的高品质和高产量，而且可使客户在极短的转换时间内获得极大的生产灵活性。特殊的挤出分流器可使薄膜生产商在很短的时间内，从一种薄膜构型转换为另一种薄膜构型，而无需更换料仓中的原料。并且，任何一种薄膜构型均可在DMT设备上实现。同时，由于模唇具有高柔软度，从而加大了薄膜的厚度范围。以BOPP的生产为例，在不更换任何部件的情况下，同一模头可生产8～80 μm的平膜。特殊的过滤器加热设计，再加上相对较小的过滤器体，可确保内部适当的熔体流动，避免了因温度过高或停留时间过长而导致熔体聚合物的降解。因此，在更换过滤器的过程中，无需对其进行清洁。仅需几分钟即可完成对过滤器烛体的更换，而无需拆除任何熔体管路。

2.9 清洁化生产技术的创新现状和进展

设备的设计与工艺配合解决薄膜表面低聚物的污染。密封加料以杜绝原料在输送和干燥过程中产生的粉尘量，同时提高旋风分离器的分离效果，减少PET之类原料在干燥时产生的氧降解。TDO横拉机用好热风净化再利用系统，特别TDO热定型段增加排风量,减少热风循环系统热风中的低聚物浓度。排除电晕处理对薄膜的污染。横拉机内的所有传动部件都采用无油润滑，彻底解决润滑油污染薄膜。纵向拉伸加热辊采用红外加热、空气冷却的方法, 既能消除油水对环境的污染，又可以节约能源。薄膜切边的位置提前，在横向拉切的出口处即将边膜切除，这样因夹子夹持薄膜而造成的夹屑粉尘因为在牵引站前已经将切边切掉，无法沾染到中间的薄膜，故不会对薄膜造成夹屑粉尘的污染。

（未完待续）