基于绿色化原则的“十三·五”多层共挤吹膜设备的科学发展（三）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司）

基于绿色化原则的“十三·五”多层共挤吹膜设备的科学发展（三）

张友根

（宁波海达塑料机械有限公司）

（上接《塑料包装》2016年第1期）

3．3 生态健康化清洁技术

发展清洁生产技术，是人类有意识引导科学技术以适应环境保护的一种尝试。多层共挤吹膜设备的清洁技术是现代生产过程的一种新的、创造性的思维方式。清洁生产意味着对生产过程、产品和服务持续运用整体预防的环境战略，以期增加生态效率并降低人类和环境的风险。把设备在成型加工过程中对环境的污染及交叉污染降到不断发展的技术标准上，根据设备成型加工的不同对象的清洁度要求，采用不同的洁净度标准。

3．3．1 环境清洁化技术

清洁多层共挤吹膜的冷却膜泡排出的介质污染环境是生态环境治理的重点。意大利Luigi Bandera公司的K-Centrro稳泡架装置配备了排放单体的抽吸装置，减少设备由于污染而可能产生的质量问题，显著改善生产线周围的卫生清洁状况和操作者的工作环境。广东金明精机股份有限公司的抽风装置，超声波控制膜泡内冷并把膜泡内部的热量排出生产车间，减少对车间环境温度的影响及热污染现象的发生。

3．3．2 热能清洁化技术

热能利用率提高10%，就意味着热污染的15%得到控制。造成热污染最根本的原因是能源未能被最有效、最合理地利用。

挤出塑化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。把塑化机筒的电阻丝加热圈辐射散发的热量收集起来，送入干燥加料斗，转为烘料热量使用，节省干燥料斗原需电加热供给的烘料热能。

伺服电机采用水冷式，保证有效的热分散，杜绝由于局部高温而产生有害气体，为洁净室或高度清洁环境下推荐。

干燥温度自适应节能控制。最大限度降低加热所消耗的能量。通过测量加入树脂的温度可离开干燥料斗的回风温度，调节送入干燥料斗的气流量，使回风（从干燥料斗返回干燥机中）温度略高于加入干燥料斗中的树脂温度，达到在确保树脂温度情况下，将气流量减到最少实现干燥加热的能量最小化。控制回风温度即控制送入干燥料斗的气流速率，也就是通过改变鼓风机的运转速度。鼓风机的运转速度通过变频驱动装置实现。干燥温度自适应控制与传统技术相比，可降低30%的干燥能耗。

3．3．3 静电清洁化技术

伺服电机驱动高速旋转产生静电，塑料原料在快速上料过程中会因摩擦而产生静电，运动件的高速移动摩擦也会产生静电。

静电污染的绿色设计有效提高环境质量。静电放电会导致微粒污染，导致电子电气设备故障，也可能会影响到附近其他设备的运转。静电吸引会造成关键性产品和设备的表面污染增加，从而导致产品出现瑕疵并增加维护费用。静电放电也会产生电磁干扰数控系统，妨碍到控制系统（特别是基于微处理器的机器人技术）的正常工作。物体表面带了静电，由于静电吸引就会吸附在洁净室气流中传播的粉尘，亚微米级的尘粒会影响到高科技产品的质量，它们一旦被吸附，产品表面就很难清除。计算机控制系统的推广应用，静电污染设计显得越来越重要，静电会导致污染和设备故障等问题。

现代的洁净室环境广泛地使用了接地技术，其中使用具有导电性和静电耗散性能的材料。设备上所有易产生静电的部位都应可靠的接地。对于带静电、孤立的且具有导电性和静电耗散性的物体，接地可以将静电荷从它们上面移走。洁净室避免使用诸如碳颗粒和化学添加剂的方法来让这些绝缘体具有静电耗散性能。

3．3．4 设备涂装清洁化技术

设备表面清洁绿色化，对涂装提出更高的要求。常见涂装缺陷主要有：涂膜脱落；附着力不良；开裂；橘皮；平光漆表面粗糙；凹凸不平或有颗粒；光泽不良；咬底；干燥不良；流挂（流泪）；气泡（暗泡、针孔等）。推广新型涂料的喷涂工艺，及时更新已经习惯了的传统低档喷涂手法。推广高压无气喷涂、静电喷涂等低污染喷涂技术和设备。

纳米喷涂表面装饰。纳米喷涂是一种绿色环保表面处理技术，具有优异的附着力、抗冲击力、耐腐蚀性、耐气候性、耐磨性、耐擦伤性、良好的防锈性能，工艺简单、绿色环保、用途广泛、是一种原料可回收利用的表面处理技术。设备装饰采用纳米喷涂设计，达到设备对环境、塑料原料、塑料制品的污染及交叉污染，达到（防电磁波、屏蔽）EMC、EMI技术规范，实现清洁、防电磁污染的环保要求。电气控制箱、操纵箱、行线槽等采用纳米喷涂，实现防电磁波、屏蔽的性能，提高了控制系统的可靠性。

4 多层共挤吹膜设备绿色化加工技术的科学发展

多层共挤吹膜设备绿色化加工技术以用户的成本效益为优先原则，使得用户以最小的单位成本生产出最高质量的绿色制品，实现设备制造经济效益的最大化和科学化。

多层共挤塑料吹膜设备是将多种功能性塑料共挤吹膜而形成无粘合剂的绿色化多功能薄膜的装备，包含多组挤出、共挤机头、吹膜、稳泡、冷却、牵引、收卷等装置。多层共挤塑料吹膜设备加工技术绿色化的主要标志是全方位实现多层共挤薄膜设备的资源节约化技术的加工。

4．1 精密计量喂料技术的科学发展

自动计量喂料采用减重测量原理，计算出原料的消耗，并和每米产品的重量或产品的厚度目标值比较，通过计算机来处理和计算出各组分的喂料量，直接在挤出机上混料，消除了人为误差和分层现象，保证了产品的稳定性。对于高产能的挤出机，也避免了因混料能力不足而造成的空料现象。同时根据挤出机所消耗的原材料的情况及设定的控制目标值，计算机可以精确的控制螺杆转速和牵引速度，从而保证最终稳定的挤出量（厚度），使工艺人员能够精确地控制薄膜的层间厚度比例，有根据地尽可能降低贵重原材料的消耗而不影响产品质量。整个操作过程简单，操作员只需将原料组分、组分密度、产品厚度等相关参数输入到计算机，其他一切均由系统完成，自动化程度大大提高，减少了工人的劳动量。多层共挤要求多台挤出机之间计量喂料不但精密计量而且互相之间精密协调，保证稳定工作。

美国美奎公司的28组分自动称重喂料系统，通过失重计量方式将信号传送到各个重力料斗，精确确定各组分的给料速率。根据薄膜制品的宽度和各层厚度、材料密度和牵引速度在线控制挤出螺杆的转速，实现精密喂料。中山市台达塑料机械有限公司TGB系列称重式拌料机采用新一代的单晶片微处理器、功能更强大、运算速度更快、抗干扰能力更强的单晶片微处理器，具有自动补偿功能，在每次开机时能自动校准以确保精度准确，可最多实现12组分的原料精确混合，配备PLC触控系统、EEPROM记忆体，可存储500组配方资料。

4．2 高产低能耗挤出螺杆的科学发展

螺杆是多层共挤吹膜设备的塑化部件，它关系到设备的产量，多层复合薄膜的表观质量（塑化和混色效果）。国内设备的产量赶不上进口设备一个主要原因就是螺杆设计不好。国外设备的螺杆基本上采用的是分离型螺杆（Barrier Screw），再在计量断加上一个混炼元件以提高混炼混色效果。

包装薄膜的挤出塑化同比普通塑料制品的成型加工塑化性能，要求更为严苛。一些塑料包装材料和制品的有害物质超标，并不是塑料原料所含的有害物质超标，而往往是塑料原料挤出熔融塑化工程中，由于设备熔融塑化性能不佳，剪切热过高，造成塑料原料内含某些物质过度分解而超过卫生标准。绿色化塑化技术使塑料原料在塑化熔融过程中，有效控制剪切热，达到低温塑化，不产生对人体有害物质的分解，或将有害物质的分解控制在标准之内，达到成型后塑料制品符合安全健康标准。

多层共挤的挤出螺杆的科学发展主要特点：低熔融温度塑化挤出，达到降低挤出能耗、降低冷却膜泡能耗、提高膜泡的强度；高速高产率，达到降低塑化单位能耗，为实现设备高产化打下基础；高质量熔融混炼性，达到原料颗粒得到充分熔融混炼，实现把流率、压力稳定的熔液送入模头；适应性，达到必须更换挤出螺杆而实现多层薄膜组合位置之间的灵活变动及原料的变化。

高产低能耗主要是通过提高螺杆塑化转速达到提高挤出产能。挤出机螺杆塑化高转速化也带来了一系列需要克服的难点：如物料在螺杆内停留时间减少会导致物料混炼塑化不均，物料经受过度剪切可能造成物料由于高剪切而急骤升温和热分解，挤出稳定性控制困难会造成挤出物几何尺寸波动，相关的辅助装置和控制系统的精度必须提高，螺杆与机筒的磨损加剧需要采用高耐磨及超高耐磨材质，减速器与轴承在高速运转的情况下如何提高其寿命等问题都需要解决。

高产低能耗的分离型挤出螺杆。分离型螺杆的塑化是通过固体床的更有效的热传递和强剪切进行塑化，熔体床的宽度和深度都是变化的，保证了熔体温度不会继续升高，具有优良的低温熔融混炼性能。美国XALOY公司称，他们的通用型螺杆除PVC外，可以加工大多数塑料。金明精机股份有限公司挤出螺杆采用分离、屏障、熔体等温混炼等先进技术，并采用高效的强制送料结构以及抽气式机筒冷却结构，具有塑化良好、产量高、能耗低、噪音小、结构紧凑、易维护、安全等特点，适用于mLLDPE、LLDPE、LDPE、HDPE、EVA、PP、PA、EVOH等塑料的挤出加工。Battenfeld公司用于加工聚烯烃的直径65mm的分离型螺杆，加料段的螺槽深度12．62mm，计量段的螺槽深度9．6mm，由于加料段与计量段螺纹导程不同，加料段一个螺槽体积与计量段一个螺槽体积比为1．5126。

塑料在螺杆内熔融过程太复杂，涉及的方程和变量太多，还没有十全十美的分析软件。完全符合塑料的熔融过程的螺杆设计是不可能的，螺杆设计在一定范围内符合塑料的熔融过程，那就是好螺杆。分离型螺杆设计主要考虑以下2个方面：（1）副螺棱和机筒之间的间隙是变化的，如何设计能够让熔体一定速度通过到熔体床，这个速度不能太慢，太慢会使固体床还存有熔体，影响了固体料的塑化；（2）副螺棱导程设计和固体床深度的变化，如何使实际固体料体积与固体床体积相一致，因为固体床体积缩小量超过了固体料体积的缩小量，容易卡料，大于实际固体料的体积，影响了塑化效率。

4．3 薄膜纠偏卷取技术的科学发展

一般的薄膜纠偏技术是当薄膜纠偏装置的导辊调整薄膜的卷取方向时需改变塑料薄膜的张力，导致了薄膜在纠偏过程中产生“张力记忆”，也就使下游设备出现一些问题。如卷曲时塑料薄膜的张力无效，卷轴的边缘将会根据其“张力记忆”产生不均匀现现象。阻止“张力记忆”的产生是薄膜纠偏技术的科学发展的方向。

Macro公司的新型纠偏系统，包括两个转动轴杆和一个薄膜边缘传感器，边传感器在薄膜的一边测量并发出一种对其位置进行量化调整的信号，转动轴杆在塑料薄膜上不产生任何压力下的情况下以平行的方式进行调整使其回到正确的位置，实现塑料薄膜的导引和纠偏。转动轴杆不可以如导辊一样的自由转动，而是设计成薄膜可以以一种接近无摩擦的方式流过转动轴杆以实现阻止“张力记忆”的产生。为消除塑料薄膜和转动轴杆之间的摩擦，当处理一些高摩擦系数的薄膜如黏着性的薄膜或经过特殊涂层处理的顺滑的薄膜（HDPE或一些PPS）时，转动轴杆可进行气滑。

Reifenhuser公司的Filmtec 7-1700IBC七层共挤吹膜生产线可生产宽1600mm，厚0．02-0．2mm薄膜，最大挤出量达600kg／h，牵引采用旋转牵引装置，带电动调节的毛刷辊和水平转动杆；定径装置分为滚子轴承定径栏和带导向套定径栏。德国W＆H公司的多层共挤吹膜设备，模块式回旋牵引装置MULTINIP的标准式配备具有轻质转动性能好的炭素纤维材质的导辊、两根带防粘涂层的吹气转向辊以及电机式遥控装置。该牵引装置的重要设计特点是模块式结构，可以随时添加附加模块对装置进行升级。

4．4 多层共挤吹膜模头的科学发展

模头是共挤出吹膜设备中的核心装置，其结构决定着复合塑料薄膜的性能，结构型式根据多层薄膜的类型、功能而不同，主要有叠加型、套管式、进料型式有中心进料式、侧进料式等多种。

4．4．1 多层共挤叠加型模头技术的科学发展

五层及五层以上共挤吹膜采用叠加型模头。共挤叠加型模头最大特点层数可以扩展及灵活组合，拓展了薄膜的绿色包装性能。

共挤叠加型模头每层温度可以单独控制，流道短物料不容易分解，大大减少了清洗机头的次数。并且，拆卸清洗方便，哪一层有糊料就拆哪层，不用全部拆卸。共挤叠加模头，每层圆周分层清楚均匀，最薄可达3μm。每一层物料流道的压力可以调整，即使是相邻两层，厚度比相差很大也能够使薄层很均匀。

4．4．1 ．1锥形叠加型模头

模头由锥形模块单元叠加而成的，每个单元都由一对短锥形模块组成。流道在锥形圆柱面上，承受的熔体的压力更高，密封性更好。锥形叠加共挤机头分为两种，即上斜叠加型和下斜叠加型。

上斜锥形叠加型模头是加拿大Macro公司推出的，特点是模头每层由下到上斜面叠加，每层之间相互吻合，从而不易溢料，熔体从每层机头进料，一次分流，主要用于小型（直径10mm～100mm）共挤模头。

下斜锥形叠加型模头也是加拿大Macro公司的专利，特点是每层机头由上到下斜面叠加，每层之间相互吻合，从而不易溢料，熔体从机头底部同一平面侧进料并流到相应机头层进行一次分流，减少熔体的停滞，并得到好的厚度分布，每层的熔体流道数量不受限制，视直径不同，每层可以设计为16条及以上数量螺旋流道，机头易于清洗，主要用于中型共挤模头。

双锥面叠加型模头。广东金明塑胶设备有限公司开发的高性能多层共挤出中心进料机头，利用中心进料、螺杆心轴分配的双锥面叠加结构。优点是熔体流程短，薄膜厚度精度高。

锥形叠加型模头的科学发展。在多层共挤吹膜工艺中，LDPE和PA的塑化温度相差很大，只有能够独立加热的模头才可以生产，锥形叠加型模头表面上可以独立加热。但从结构上分析，它的圆柱部分是相对独立的，但是其圆锥部分已经插入到另外一层的圆柱体中，理论上已经受到另外一层加热温度的影响了，况且，在长期生产过程中，金属的热传导会使各层锥形叠片温度互相干扰，趋于一致，必须增加隔热层才能保证相邻两种材料的温度差。德国Battenfeld Gloucester工程公司的多层共挤吹塑薄膜机组采用了LP低中心的锥形叠加型模头，模头部件可进行快速安装和拆卸，并且可以在不需要更换整个机头的情况下改变机头直径和口模间隙。

4．4．1 ．2平面叠加型模头

平面叠加型模头，按结构布置形式分为两种：一种是高度方向平面叠加；另一种是径向方向平面叠加。由碟形片叠加而成的，每层碟形片有两个进料口，可以挤出两层薄膜，使每一层受热均匀。碟与碟之间加有隔热层，可以单独控制每一层机头的温度，相邻层之间温度之差可高达80℃。根据不同的生产要求。可以撤走、增加或重新布置各层模头，增减容易，节省费用。整个机头全部采用38CrMoAIA材料制成，具有良好的热稳定性。多层共挤膜强度高于同类复合膜30%，节省原料20%以上，产量可以提高50%。与锥形叠加机头相比，在相同条件下，平面叠加式机头结构紧凑，它的实际高度只有锥形叠加机头的60%，提高了塔架的有效高度，在七层和九层共挤吹膜机组中，这种机头就有了绝对的优势。平面叠加式机头采用侧面进料，机头内流道拐点少，没有死点，频繁停机和开机时绝不会有糊料现象，特别是吹制尼龙这种材料的时候，它的优越性是无与伦比的，这种模头的设计理论已经超出了传统思想观念，是设计理论上的一种飞跃。

轴向平面叠加型共挤模头。国际上以加拿大Brampton Engineering公司为代表，一般采用侧进料，熔体以中心轴线对称，熔体在每层流道中流动层数的变化不会影响模头内外径的大小，模头层数可以任意组合，且每层的温度可以单独控制，这样可以根据不同的物料的需要单独控制每层的温度，也有效的防止物料的分解，适应于高阻隔多层共挤薄膜加工。Reifenhuse公司的Filmtec7-1700IBC七层共挤吹膜生产线机头为BK-F-0500HDS平面叠加机头，口模直径为300mm-500mm。

径向方向叠加型共挤模头。国际上以Battenfeld Gloucester Engineer公司为代表，模头的特点是低中心，模头的高度不会随着层数的增加而增大，优点是熔体的压力是在流道圆周方向平衡掉，螺纹和密封技术确保了层与层之间不会有任何污染，优于轴向平面叠加型模头，而且使加工的灵活性提高，熔体混合效果更好，吹塑出的薄膜的品质更高。缺点是熔体各层的温度不能单独控制，特别是中间层的温度，适用于多层共挤高强度薄膜的加工。

金明精机股份有限公司研发了5层共挤双流平面叠加式模头，它是由碟形片叠加而成的，每层碟形片有两个进料口，可以挤出两层薄膜，使每一层受热均匀。碟与碟之间加有隔热层，可以单独控制每一层机头的温度，相邻层之间温度之差可高达80℃。根据不同的生产要求。可以撤走、增加或重新布置各层机头，增减容易，节省费用。整个模头全部采用38CrMoAIA材料制成，具有良好的热稳定性。多层共挤膜强度高于同类复合膜30%，节省原料20%以上。

4．4．1 ．3双螺旋型叠加模头的科学发展

双螺旋型叠加模头的特点是低中心、高度不会随着层数的增加而增高。由于熔体的压力是在流道圆周方向被平衡掉，所以密封比叠加型好。缺点是熔体的温度不能单独控制，特别是中间层的温度。

双螺旋型叠加模头没有分流支架，物料在螺旋流道中流动的同时伴有轴向流，使物料得以很好地重合，消除了熔接线，达到材料各向同性，熔体温度均匀，提高了薄膜的物理性能。设计螺旋芯棒模头的时候应尽量使模头内物料的轴向流在圆周方向分布加宽，以提高模头的混合性能。影响模头混合性能的主要参数，螺槽深度对机头混合性能影响最大，随后依次为螺旋升角、螺旋消退角和芯棒锥角。螺槽深度参数取大值，螺旋消退角和芯棒锥角两个参数取小值。

佛山捷勒公司采用预分配式螺旋流道设计的低模体的螺旋芯棒式模头，使熔体料在进入汇合前分布均匀，保证了料流的流速和压力分布，各层汇合后流动阻力相同，汇流流道短，熔体的滞留时间短，薄膜的阻隔层均匀，成型性能好。模头背压小，挤出量高。利用表面工程技术，使流道表面的镀层无死角，镀层硬度高、耐磨、耐蚀，不产生剥落和裂纹，并能长期保持表面光亮，以解决流道的腐蚀和磨损问题。

Alpine公司推出了一种新型X系列11层共挤阻透薄膜用侧加料的双螺旋型叠加模头，螺旋体中的熔体进料点被优化布局，可产生极高的熔体流动性和均匀性，消除了薄膜共挤过程中条纹线的产生。在更换料时，极短的流道降低了原料的损失和获得最短的清料时间。模头直径400-560mm薄膜上无出口流纹，因为螺旋形是在芯棒内切铣而成的，而非其外切铣而成。出口是圆形的，不是半圆，使料流更具流线性，清洗和换色快达15min。这种机头对于容易留下出口流痕的窄分子量分布的物料来说优势明显。

大连橡胶塑料机械股份有限公司三层共挤出重包装膜吹塑机组采用了的双螺旋模块化叠加型共挤出吹塑模头。

4．4．2 多层共挤套管式模头的科学发展

多层共挤出套管式模头主要有中心进料式、侧进料式等多种。根据适用的原料和使用情况，有芯棒式、堵块式、摆叶式等型式可供选择，通过分配复合能均匀稳定调节方便地结合一起，各层比例任意调节。传统的套管式圆柱体机头的主要缺点是随着共挤出层数的增加，机头的外径将相应增大，从而熔体与机头表面的接触面积相应增大，熔体压力降增加，同时熔体在流道内的停留时间也相应延长，物料降解的可能性也不断增大。浙江瑞安市瑞森塑料包装机械厂三层塑料共挤吹塑复合膜机组，采用分层式螺旋芯棒型可360度连续旋转模头，简化了模头结构，缩短了流道的长度，减小了模头体积和质量，降低了制造成本。

三层共挤模头具有三通道而减少压力损失，薄膜厚薄度更均匀，耗电更省。用一台主机供里外层料，可以减少一台主机的配置，同时达到降低成本，节能低耗的目的。可吹制低压，高压，线形低密度三种聚乙烯薄膜，不但适应它们的新料吹膜，还适用于它们的再生塑料吹膜。

“智”适应分层均匀、稳定是机头复合分配器性能的发展方向。

4．4．3 多层共挤吹膜模头技术创新的科学发展

机头结构如何满足高产量要求是设计者面临的巨大挑战之一，在满足薄膜性能要求的前提下，如何提高机头的热效率、降低能耗，实现高效节能也是未来机头结构设计必须解决的问题。

多层共挤吹膜模头技术创新的思路是实际经验和理论相结合。把物料的参数和产量作为初始设计条件，理论计算出熔体在模头内的压力分布、停留时间、剪切速率，以及最重要的螺旋流道终止处的速度分布。根据理论计算的数据分析流道参数的合理性，根据实际经验，修改理论参数，进行理论复核，以得到最好的分析结果。多层模头来说，每层流道参数根据那层的材料参数，产量来计算。在多层熔体汇合熔接处，还要算出各层的厚度分布。可采用高分子流场分析软件（POLYFLOW）等先进软件，对机头内部的物料流场的模拟分析，得到复合膜机头各流道内每一个结构部位的熔体流动的速度场、压力场、剪切速率场、粘度场以及熔体介质的流线等仿真结果，了解机头各部位物料流动的速度、压力及粘度沿出口方向的梯度，理论上掌握各流道各部位物料流动的顺畅性，分析是否有物料的阻淄、涡旋等，从而来判定流道设计的好坏，是否需要修改结构和参数。生产试车中，检验设计的效果，不断提高流道结构得科学合理性。经过多次理轮和实践的反复修改，达到预定的效果。

（未完待续：见本刊2016年第3期）