简述双向拉伸薄膜制造的知行合一（四）

杜永胜 张晓龙

（山东永健机械有限公司，潍坊 261303）

——上接本刊2023 年第5 期

四、双拉膜发展的技术路径和装备方向

双拉膜成型的三大基本要素是树脂助剂、加工工艺和加工设备（包括模具） 缺一不可，其生命力与其它工业产品一样，以有特色或有创新而变化[3] 。双拉膜技术发展的活力，乃在于原辅材料和工艺装备的互为因果，在于双拉膜制备精密和自动生产能力的提升。

1. 技术成长路径和制备进阶功能

在延续通用制备的基础配置上，一旦确定专用原料后，选择不同加工成型的厚度范围和选择不同专业的层叠挤出、在线涂覆、局部洁净等装置，可使材料原本属性没有层次变化，材料性能却有质变的可能，其意义远大于上“台阶”的效果。不仅增加不可替代的专用或高端功能，还提升了产品销售价值，例如吸附、分离、光电、磁性、刺激响应性、生物相容性、催化活性、反应性等一系列的特殊功能。这些特殊功能的技术创新，既利于就地消化通用装备的过剩产能，又利于降低用户的生产成本，推动双拉膜产品结构的优化和转型升级。

可预见的技术成长路径图：

1）层叠共挤技术

与狭长的“T 型”模头相比，层叠模头通盘考虑模具温度分布、模腔压力和熔融体滞留的时间（模唇的流速参数，即聚合物熔体的剪切速率）。让熔融指数相近的各种聚合物通过独立的多流道分配，在一定加工温差的推动下，实现不同特性的聚合物交替结合，便于制成力学、光学、阻隔、导电等性能相对优异的复合材料。

层叠模头+多台挤出机，即是各种不同材质的聚合物在熔融挤出的作用下，直接输成别样的厚片（对称和非对称的多层共挤，有A/B/A/B 或者是A/B/A，A/B/A 的层次结构）。层叠共挤技术，将各种材质聚合物的特性、温度、粘度在不同层次的共挤过程和谐共生，以获得更加均匀、更加整齐的微层结构。

层叠共挤技术不是单纯1+1+1=3 的组合，它不仅在食品包装领域起到隔氧、无菌等作用，还能通过各种材料对光的不同折射原理，使不同层次的色泽发生变化，呈现彩虹般绚丽的光学效果，例如多层共挤的彩虹膜，达到1+1+1 远远＞3 的多角度效果。我们唯有站在层叠+共挤更高的维度，才能感叹应用技术可能拓展未来市场的消费。

2）预涂膜技术

在线涂布工艺处于纵向拉伸与横向拉伸之间，把功能性涂液均匀地涂覆在双拉膜的表面，从而使预涂膜具有基膜+功能涂料性能之和。涂覆过的纵拉膜一旦进入横拉箱，满足交联固化时间、温度等技术要求，就大增薄膜品质的稳定性。既不让表面化学成分产生游离，又增强和提高薄膜的表面硬化、抗静电，满足增强薄膜印刷性能和镀铝后的铝层剥离力，提升镀铝薄膜的耐水煮性能，以及提高薄膜表面爽滑性能等多种特殊功效，拓展客户的应用空间。例如PP、PE 和PET材料的表面极性低，不理想的附着力一直是阻滞它们发展的“一道坎”，有利于薄膜材质的长期稳定性和增加特殊的功能性。预涂膜技术另外与共挤、电晕、热封处理、离线涂布等其他生产技术有效结合，还可以制造尼龙预涂膜，防划预涂膜，增粘预涂膜，镭射预涂膜，金属膜，压纹膜，螺面膜等等，更有柔面预涂膜，高亮预涂膜等，促使原有市场占用量的变大。

双拉膜的涂布液一般以水性聚氨酯分散体为基料。在线湿涂5-15 g/㎡或40-100 nm，或者厚度50-200 μ m，这对企业制造成本并不增加很多（有效涂布成分的价格约在60-120 元/kg，增加薄膜成本的不到2 元/kg，一般企业的控制范围在0.2 元/kg 左右）。与传统的离线涂布工艺相比，主要省略了粘合剂调配及涂布、烘干等工艺流程，从而惠及下游加工企业。

2）机械同步拉伸和线性电机同步拉伸技术[1]

同步拉伸，指同台拉幅机上完成纵、横等多个方向的定向拉伸，拉伸后结晶速度快、结晶度高，能大步提高薄膜透明度，可生产超薄型的薄膜。同步拉伸技术还能促使双拉膜的各向平衡，解决“弓形效应”的缺陷，较大程度地满足薄膜表面不被碰擦划伤的需求，并有利个性化的定制。

机械同步拉伸，即同时完成纵、横的拉伸，使纵向及横向的机械功能更加均匀和平衡，解决分步拉伸技术中出现“弓形效应”的缺陷。随着技术的进步，机械式同步拉伸，由过去的纵向固定“拉伸比”发展到现在的纵向可调式“拉伸比”，使工艺调整更加灵活。克服了原来纵向无法调节，阻滞部分个性拉伸要求的应用推广。

磁悬浮式的同步拉伸，主要是每个运动的链夹都由单独的线性电机控制，使拉伸比和轨道均可以实现多级化和智能化的自动调节，大幅度提升薄膜的机械强度、均衡性和避免表面划伤等物理性能，能够实现个性化定制与大规模产业化的完美融合。

2. 专用生产线的量身定制

双拉膜生产线从主要结构上看似乎相同，但是，具体配置的器件和对应数值还是存在更新细化的区别。不同生产线需要按不同产品的要求，进行特定的分类生产，以提高薄膜特殊用途的适应性。所谓专用性生产线，是为专门产品需要而特地设计制造的生产线，其时温、时速的等效控制更顺应薄膜的降解、结晶和取向的定制。除外，一次生产成型的专用设备，不宜多次更换原料和调整生产工艺，即可稳定品质和保障某方面的特殊性能，又能有效的节省料、工、费。

1）高端类的光学膜生产线

可采用层叠共挤、同步拉伸工艺，增加聚散光学效应、光谱的高能蓝光，减少膜面划痕。同时，配置高度洁净化的生产环境。

2）耐候性超厚型光伏背材膜生产线（150 μ m 以上）

能接受高温与极寒的耐温，抗老化、表面硬化，助益于新能源经济的发展。

3）高收缩膜和耐温低收缩膜生产线

收缩膜熵减过程中更加贴体，印刷过的标签套不发生褶皱变形，充分体现商品形象，尤其在外形迥异的新颖容器或商品组合的集束包装上。

高收缩薄膜生产线。虽然用普通的通用膜生产线或略加改造的生产线也在生产，但是适用性毕竟不达理想。主要是设备主体缺乏工艺变化的配合，或工艺变化难以顺应材料的变化。专用生产线的配置和工艺要顺应PETG 材料的拉伸特性，解决双拉膜在生产中速度匹配和整幅收缩率不一致的问题。

耐温低收缩薄膜生产线。理论上讲，耐温低收缩率1%的薄膜不适宜高速生产，由于热定型过程的薄膜速度太快，达不到结晶率就消除不完内应力。通用膜生产线采取慢速生产的话，由于风压和风量不能随即变化（通用膜生产线一般调整好后就不再变动），就会引起薄膜的过度结晶，引起薄膜的韧性降低。

4）单/双面预涂膜生产线

在线涂布要选择特殊的涂膜头，采用凹版或者D-BAR 涂覆技术工艺，将具有抗腐蚀性，耐磨性，耐候性，耐热性，耐温性和外观性等多种涂布液，由分配器控制喷射到薄膜的单/双面表层，从而达到改善薄膜表面的功能性，并减去下一道工序。在线涂层厚度一般在40-100 nm，控制误差±1 μ 以内，适用于PP、PET、PE、EVA等软质基材。

5）其它膜用树脂的专门生产线

例如PC、PI、PN、PEN、PLA、PBAT、LCP、PPS、PEEK、PVDF 等多种树脂原料，再选配功能性助剂母料的塑化加工，可制造多元性、不同功效的双拉膜，它们彼此的相互渗透、交汇丰富，大大拓宽应用领域，顺应社会经济的持续发展。

3. 通用生产线的适用改造

早期款的双拉膜生产线，主要制造以包装膜、农业和工业用绝缘膜的通用膜，这些膜类的生长基础依附大容量的市场。塑料协会2019 年资讯反映，国内包装用膜占到消费用途的55%以上；农业用膜占到消费用途的30%（大棚膜则是现代农业用膜的大部分）。双拉膜相比吹塑、挤出流延加工工艺，具有产量和品质上的优势，但是，大规模的持续生产必须顺势作调整，才有被市场延续接受和拓展生存的可能。

3.1 机能改造——提高薄膜的拉伸力度，收缩均匀性和横向强度；提高薄膜的耐温、抗老化范围和解决低聚物污染。

① 提高设备的拉伸、收缩均匀性和薄膜横向强度。重视挤出成型的熔融温度、挤出输送速度与熔融态流体性能的匹配（减少降解），满足不同聚合物的各项物化性能指标；提高塑化均匀的前提下，增加测厚仪的前后监控，避免出现拉伸度不均匀，热收缩不均匀等现象。消除双拉膜拉伸时的弓形状态，尽可能在装备设计制造上减少横向拉伸中的弓型弓高。首先，提高TDO 烘箱内温度的均匀性，其次对风道、风嘴、链夹进口带入的风量实行精准的控制，才会对薄膜均匀性的改善有所好处。

② 提高设备的耐温范围和解决低聚物污染。双拉膜使用范围一般在130～150℃。但是，很多客户要求耐温能在180～200℃长时间使用，这按现有工艺条件是相当困难的。要促成薄膜纤维晶的形成，必须满足耐温薄膜的生产需求。首先，解决横拉机两侧温度相对较低、拉伸倍数不够、厚度偏差较大、薄膜横向强度和热收缩均匀性不足的问题，才能提高设备对耐温薄膜的适用性。其次，选择粘度合适的树脂原料之外，制造装置的干燥/挤出系统要减少切片输送和干燥过程中产生的粉尘量，提高旋风分离器的分离效果；选择适当的熔融挤出温度和熔体线温度，严防产生固体的热惯性，合理设定PID 的加热功率并进行届时调整，不使管道里树脂分子量过宽分布而带来低分子链较多的状况。

③ 横拉机的无油润滑结构解决薄膜表面的油污染。目前，国内横拉机应用无油润滑的链条轴套，使用两年就需要更换。这项维护措施，对解决膜面油污染有一定的作用。可是，机箱内其它的部件润滑并没有采用无油润滑，所以难以看出维护措施的单独效果。如果整体横拉机都采用无油润滑结构，将大概率地解决油渍对薄膜的污染问题，特别是光学用膜之类的高端产品亟待期望这样的改善。

3.2 节能改造——通过计算机与伺服电机、变频电机的结合使用，对生产全线的温度、压力、转速、位移等实行多级变化的精准控制，可广泛节约生产能耗。制造双拉膜向来具有“料重工轻、能耗量大”的显明特点，制造能耗一般占到企业全部经营费用的8-10%。为此，熔融挤出系统的电磁加热、纵向拉伸辊的动态红外加热、横拉向加热采用转轮式的热回收装置、热管技术等先进节能技术，即把控能源消耗，又使薄膜合理地吸、放热量的做法必然会引起企业关注。

① 采用电磁加热的挤出系统。从工艺要求上讲，要比一般加热器的加温更有均匀性，消耗能源更低。如果广泛应用于整个双拉膜行业，每年节约的电能量将很可观；

② BOPP 装置使用冷辊和纵向拉伸的循环水，追随环境水温的变化比较密切。采用双路供水自动切换的方法，在南方生产可全年节约30%的热能，在北方生产则全年节约50%；

③ 纵向拉伸辊采用红外加热空气冷却的方法，使红外输出功率得到准确控制，既能消除油渍对环境的污染，又可以节约能源、减少设备的维修运行成本。国外公司有这方面的介绍，普遍应用到双拉膜制备上，将是行业努力开发的重要项目。

④ 在横向拉伸箱里，单纯补充大量净化新风来置换被污染空气，势必浪费大量能源。如果采用蜂窝状转轮式热量回收装置或热管技术——用TDO 排出的热风加热进来的新风，采用铂金触媒技术，通过氧化反应来去除低聚物，既保持TDO内部清洁，又达到余热的高效回收及梯次利用，降低能源消耗的目的（铂金触媒技术成本偏高，适用于BOPET 高档膜生产线，而不适合大产量的包装薄膜生产线）。

节约能耗的措施，特别适宜制造大用途的包装用膜和农用大棚膜。a）包装用膜主要指12μ m PET；20 μ m PP；15 μ m PA，代表产品是镀铝膜、印刷复合膜、软包装膜、胶带膜、冷冻袋、蒸煮袋、真空袋等。b）农用大棚膜的使用周期为4-6 个月、12-18 个月，目前以PVC、PE 和EVA为主，相应厚度 100-120 μ m、80-120 μ m、70-120 μ m；加大宽幅主要靠剂粘、热粘连接（钢管拱架10-12 m、钢筋焊接12-14 m）；其材质和内在性能远远不及双拉膜同类用途的产品。

五、双拉膜的拓展依赖协同递进和纵横合作

双拉膜制造业，本是高聚物的基础科研与热塑成型技术糅合用于实践的一门应用技术。在创新日益发展的时代，双拉膜的上下游企业可根据实际需求结成不同的合作关系（合纵）；产品相似的左右企业可根据市场范围结成不同的开合关系（连横）。双拉膜的合纵连横是延续行业活力的一种“资源”，维护双拉膜的高质量发展，亟待基础研究与应用技术的结合，其加工制造的核心即是原料树脂的体系化（标准）、装备工艺的精湛化和生产线的潺潺流畅。

1. 制膜的应用技术期待基础研究的理论支持

站在基础研究和应用技术的角度看，热塑性塑料结构是由合成聚合物的各种单体和不同的聚合方法所决定的，而各单体的种类千差万别，各分子大小与形态的排序迥然相异。热塑加工成型，本由许多相同的、简单的结构单元通过共价键重复连接而形成一个分子链的特殊运动方式[22]。热塑性树脂作为双拉膜的基材，具有受热软化、冷却硬化，又不起化学反应的特点。树脂材料，无论加热和冷却重复进行多少次，其大分子链均一直保持线型结构[17]。

那些新颖的、等待试用的热塑性树脂，首先需要通过实验分析或理论研究，来探索某项双拉膜的物性、结构和彼此关系，推测某项双拉膜的未确知用途，或者验证实际应用的技术途径和方法。所以，在制造过程中的加工温度（玻璃化、熔融、结晶、热定型温度），包括确定具体设计工序和工时的相应 “边界”，即加工温度范围；确定制造的“节点”，即加工速度范围。这些专业的“边界、节点”的确定，首先要借助于膜材结构设计的理论支撑和膜材微结构机理的学术互补，然后提炼或累积成为薄膜制造的一项应用技术。应用技术，则为确定基础研究成果的可能用途，或是为达到预定目标探索应采取的新方法（原理性）或新途径。在围绕特定目的或目标进行研究的过程中获取新的知识，为解决实际问题提供科学依据[18] 。目前，国家尚没有高屋建瓴的建立产业性的“双拉膜实验室”。行业期待借助高校院所专家学者的软性资源和科研实验制备的硬件资源，多为产业技术进步提供可验证依据的技术服务。在薄膜材料上，真诚需要高校院所联合相关制造企业进行小试、中试化的专项实验，进而促成新型功能薄膜的工业化生产；在薄膜制备上，需要高校院所掌握前沿技术的动向和结合自身的科研成果，帮助行业人加深认识热塑性加工的知行，设想适宜双拉膜优化制造的好装备。

2. 不同薄膜种类切盼多样性的原辅材料[19]

双拉膜的原辅材料，通指各种膜用树脂+各种母料或者辅助功能性的添加剂。原料树脂和所选用的功能性助剂（包括功能色母料和涂布液等）是制造新颖双拉膜的专用原料，也是当今化工材料应用最多的形式之一。

双拉膜采用的不同树脂性能（粘度、灰分、熔点、水分、粉末、端羧基、色度B 值、凝集粒子等）直接影响薄膜分子量的相对大小、物理强度、光泽折射率、气湿阻隔率、耐热耐寒稳定性和生产稳定性等指数值。双拉膜成型加工过程中，添加的各类功能助剂、母料是改善薄膜质量和提升其功能性的一种简便而高效的手段。更为重要是，选择适当的助剂、母料和应用步骤，可以在加工中起到改变加工性和产品性能两种相辅相成的作用，决定了薄膜成品的优劣高低。实践已经表明并将继续表明，使用不同的原料树脂和功能性助剂，以及聚合物的品种、配比、程序等等，事关薄膜加工的方式、产品性能和应用价值。应诺了行业通常所说的“用料决定品质”。

当前，改变内在性能的功能助剂有：增塑剂和成核剂、热稳定剂、抗氧剂（抗老化）、光稳定剂、阻燃剂、抗静电剂、防雾剂、着色剂、抗粘连剂（开口剂）、润滑剂（爽滑母料）、含氟聚合物加工助剂（PPA）、以及由客户专门要求增亮、抗菌、防霉等功能的专门助剂。

改变表观性能的色母料和涂布液。色母料又名色种料，亦称颜料制备物。它是把超常量的颜料或染料均匀载附于树脂之中，例如混合着色剂、载体树脂、分散剂、偶联剂、表面活性剂、增效剂等制成高浓度的有色粒料。功能色母料除了具备上述原辅材料的功效，还根据使用要求添加了光稳定剂、抗静电剂、阻燃剂、发泡剂等助剂。

一般涂布液以水性聚氨酯分散体为基料，大致有：① 分散剂，在含量高固化的情况下，有较低的鞘度和良好流动性；② 消泡剂，可消除和抑制涂布过程中产生的泡沫；③ 润滑剂，使成品膜在干燥或压光时具有良好的剥离性；④ 表面润湿助剂，提高亲水性胶合剂的抗水性；⑤ 封闭型水性异氰酸酯交联剂，通过固化交联显著改善膜材的耐水、耐化学品、耐磨、附着力、力学机械等性能。

高端品质的双拉膜，期待从供应链前端就开始推动产品的结构性创新（例如生物基高分子材料等）， 常言所说的“原料技术在先（树脂、助剂、母料和涂布剂），制备工艺在后”，意即促进异相成核，提高结晶度并使晶体颗粒变细、从而改善冲击强度、屈服强度及光泽度的膜用树脂，以及改善加工性能或改善树脂本身性能不足，而添加的膜用助剂母料等（包括耐候、阻燃、抗静电功能等）。

为了确保薄膜成型过程中保持化学性质和物理形态的稳定，不同材质的双拉膜制造企业，力求薄膜提高韧性、力学和光学性能；提高刚性、耐热性、电绝缘性；改善薄膜的耐候性、尺寸稳定性、着色力、导热性、导电性和阻燃性等，积极企盼品种繁多的专用树脂、功能性助剂、功能性母料和涂布液，以满足双拉膜市场跌宕起伏的发展需求。这一切，都牵涉到精细化工业的领先潜行，促使树脂、助剂、母料和涂布剂成为双拉膜结构升级的助推器。

3. 高端品质的膜材亟需精湛和智能化的制造

制备自动化，是指人类在生产、生活和管理的一切过程中，通过一定的技术装置和操作编程完成各种预期的作业。它能用较少的人工干预甚至没人干预，达到减少人力和减轻人的体力和脑力劳动，提高工作效率、效益和效果。例如利用机械手臂的灵活度与耐力度，将人为失误减少到“零”。

双拉膜的全程制造，通过转动速度、工艺温度、厚度检测反馈、收卷张力控制、单元操作控制和主控制室计算机监控等，对运行中的各种物理量（包括温度、流量、压力、厚度、张力、速度、位置、频率、相位等）按期望规律或预定程序进行相应的精准管控。双拉膜进一步的精致制造，除了增加特殊传感器、检测器记载的成型轨迹之外，整个双拉膜制备系统必须配置提升运行计算、性能推测，以及成品分析的单元功能。例如熔体系统（水分、粉尘、异物的分离和计量；优化熔体部件的螺杆排列组合，即时对整个配料、给料熔融过程进行挤出粘度和过滤均匀性的自动控制等）；铸片系统（实行厚片表观、宽幅和冷鼓温差的监控；静电吸附的自动调节等）；拉伸系统（拉伸辊轴间距和拉力的自动调节；厚片拉伸变化的实时检测和调整；链铗的张力调控和润滑；热塑和定型区域的风压、风速调控等）；牵引系统（自动调整大轴膜的收卷张力；实时检测瑕疵、缺陷的不规则数据等）；辅助工程系统（导热油管、流动的纯净和冷却水，以及人机作业区的恒温、恒湿气流）[20]。

双拉膜制造的智能化操作，更是将物料、单元部件和监控装置等等分散信息汇集形成相融统一的信息处理链，实现人机互动的细化交流。其管理的信息处理链依靠计算机网络、数据库和现代化管理的三大支柱。

这个信息处理链贯穿于生产线的设计、生产、管理、服务等等活动的各个环节，离不开对各种聚合物物性的准确掌握，并且确保各种双拉膜的技术工艺与各项制造资源的紧密连接、局域调度和协同优化。

具体包括：① 执行预设的工艺条件（温度压力速度）的正常工作范围；② 对超越范围的缺陷波动能实时分类（包括刮痕、条纹、鱼眼、涂层空间等）；③ 发现异常波动缺陷时（包括孔隙、气泡、褶皱、污染等），形成反应灵敏的应急管理体系。双拉膜生产线的更新精湛、智能化生产，势必离不开制备的管理功能（包含 PLC 或ChatGPT 的高级管理程序，即人与机一起执行计划、检测、记录、控制和警示等共同目标，包括连续性工作、质疑和自动纠正错误、还从物理化学的广泛技术交流中提出更合理的措施）。智能制造的新型生产方式，让各个环节的设备处于高效、节能、合理的运行状态。同时会同于合纵连横，使更多的技术商和创业企业成为专业的全套供应链一员，并创造新的生态组织模式[21]。

结束语

国内双拉膜的制造实践始于1961 年8 月。60多年里，我国双拉膜的制造，历经简陋的（纺织用）单台拉幅机→旧装备整套引进→簇新的生产线全套引进→自行设计制造国产线与先进进口线引进共存的场面。勇往直前的行业人踏着前人一路走来的足迹，才让双拉膜制造业有了大跨步的发展。如今的双拉膜，之所以能为社会经济提供产品或服务，是因为它顺应了其它加工制造业的习惯，符合人们追求现代消费的需求。因此，才有可能推动产业诞生或改造的产物，从而形成双拉膜产业持续发展的源动力。

在跌宕变化的市场里，不同材质的薄膜之间存在着性能相似、加工成本相近的情况，同时也伴随着不同程度的应用替代和使用淘汰问题。这就促使不同材质的双拉膜要把客户的需要视作追求目标，持续考虑品种便捷化、多样化和系列化的问题，尤其满足新颖领域的功能需求或引导不同终端市场的需求。薄膜生产和薄膜制备企业务必借鉴华为科技公司的经营策略，将自己的战略目标定格为“商业需求曲线与技术生长曲线叠加的最大值”，才会弥补当今市场的欠缺和引导未来的市场供应。稳定发展的双拉膜，唯有制造性能上乘的薄膜，并附有“专、特、精”的特殊功能，才能争取到自己的生存之路。

我们相信，科学技术是人类进步和完善自己的天梯。先进的制造业乃是实体经济的代表力量，制造业的核心仍然是创新精神和工匠精神。提高和充实双拉膜的特殊功能性，关键在依靠化学的和物理的改性来拓展薄膜的使用空间，并不断地赋予更新的市场价值。双拉膜的专用树脂、助剂和专门的制造装备是提升双拉膜产业技术必不可少的资源；吸引并有效配置专业人员，又更是双拉膜产业持续创新的稀缺资源。