高性能低能耗共挤纸塑（铝）软包材生产线的建立

　　摘要：由于软包装行业的快速发展，意欲进军生产无菌软包装材料行业的生产厂商逐年呈现上升趋势。用于制造多层复合材料包装的新设备。作为一种替代传统包装的新型包装材料，应用逐渐多样化;但是还存在一定的问题，比如软包装的剥离强度和耐热性等性能影响到合成纸的性能与工艺优化；软包装材料密度下降，单位面积增加，直接影响到产品的机械性能和尺寸稳定性。而有效的高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线的建立，促进液体食品软包装质量的控制，促进产品的可持续发展。
　　关键词：高性能；低能耗；共挤复合
　　
　　1.应用需求
　　据有关资料显示，全球消费品的软包装市场高达300亿美元。目前，纸塑铝多层复合包装材料在软包装行业中占有重要地位。世界上一些先进国家，纸塑铝多层复合材料占整个塑料包装的33~44％，目前，在我国，软包装的发展速度要略高于总的国民生产的发展速度约为12-15%，其中纸塑铝多层复合无菌纸包装的年消耗量约为100亿包的包材，售价约折合人民币近40亿元，而且也每年以20~30%的速度递增，成为全球最大和发展最快的市场，但纸塑铝多层复合无菌包装在我国软包装制品中仅占10%，而发达国家占65%，我国软包装制品具有极大的发展空间，因此，研制较高自动化控制系统水平的多层复合材料专用生产线市场前景光明。
　　1.1液体食品软包装的特点
　　共挤复合10层纸塑铝软包装材料（如结构为PE+MLLDPE/LDPE/印刷层/原纸/LDPE+纳米材料/EAA/铝箔/EAA/LLDPE/PE+MLLDPE的软包装材料），所生产的包装材料具有阻隔性、保香性、耐热性和食品安全性良好等优点，可广泛用于鲜奶、果奶、酸奶、果汁、饮料等液态食品的无菌包装。
　　2高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线的工艺
　　挤出复合又称涂复或淋膜，是广泛使用的一种经济的复合薄膜方式，它是将聚乙烯等热塑性塑料在挤出复合机中熔融，从扁平机头中呈薄膜状流出，在两个紧密接触的滚筒间将其压向底材并经过冷却后制成复合薄膜的方法。挤出复合可以是单层复合，也可以多层一次性复合或多层多次复合,即共挤复合；产品结构变化较多。
　　高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线(液体食品包装用多层复合材料一次复合成型)的工艺如下：
　　印刷纸卷放卷→预热处理→反面电晕处理→反面挤出复合塑料A、B层→正面电晕处理→正面挤出复合塑料C、D层（同时从第二放卷接入铝箔一齐复合）→正面挤出复合塑料E、F、G层→整理→收卷。
　　3高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线的建立
　　通过“节能、高效、精密”为关键，以装备和技术以及相关理论的研究与开发,完成纸塑（铝）多层软包装材料共挤复合成套生产线。其中“高效”是指要提高挤出速度，实现高速挤出，从节能角度看，就是要提高单位能耗成型软包装材料的长度；而提高软包装材料中塑料膜层厚度的“精密度”可带来明显的节能效果。
　　纸塑（铝）多层软包装材料共挤复合的生产设备规格，目前包装材料幅宽都在1.2米以上，最大幅宽达2.3米以上。生产线速度高(，整线自动化程度高，生产过程中的温度、速度、压力、张力、厚度控制等控制系统全部集中数字化控制。生产出性能更好的纸塑（铝）多层软包装材料，对设备的性能要求会更高。
　　3.1原料
　　挤出机使用树脂：LLDPE、LDPE、PP、EVA、EAA、EMAA、SURLYN（沙林）、Nucrel（牢靠）等涂复级树脂。
　　基材：a)主放卷基材：纸（60～400g/m²）等。
　　b)夹层：铝箔。
　　3.2生产设备
　　本生产线为高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线。
　　挤出复合的加工设备：挤出复合机组一般包括塑料挤出机、模头、放卷部分（包括夹层放卷）、复合部分、收卷部分以及转动装置、张力自动控制、放卷自动纠偏、材料预处理、后处理等附属装置组成。，本公司公司自主研发的液体食品包装用多层复合材料一次复合成型专用生产线，设备结构见下图。生产方向是右向左，挤出机是2-2-3(即：两层-两层-三层),从右边的放卷到左边最后的收卷，左边的挤出机是“三层共挤挤出机”，由三个机筒及换网、分配器、一个T型模头组成。
　　
　　
　　
　　1放卷;2摆动纠偏机构;3复合座Ⅰ(反面)&电晕机Ⅰ;4电晕机Ⅱ;5预热;6复合座Ⅱ&电晕机Ⅲ;7夹层放卷;8摆辊张力检测;9复合座Ⅲ;10监控;1收卷;12挤出机-G;13挤出机-F;14挤出机-E;15挤出机-D;16挤出机-C;17挤出机-B;18.挤出机-A;19.主电柜
　　图1高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线示意图
　　
　　主要性能参数如下：工作宽度:600～1350mm;挤出机：当量直径为φ90的螺杆最大挤出量为200kg/h；φ65的螺杆最大挤出量为100kg/h；第一放卷形式：气动夹紧气胀轴式；最大直径φ1600mm；最大张力70kg，7～200m/min全速度范围自动接料。第二放卷(夹层放卷)形式：最大直径φ680mm；最大张力40kg，7～200m/min；全速度范围使用铝箔反面自动接料。生产线速度：机械速度：200m/分钟，工艺速度：150m/分钟,由使用材料和工艺条件决定。
　　3.3工艺流程
　　3.3.1收、放卷
　　放卷装置：巧妙地对基材的张力进行调整是放卷部的必要条件。安装有边位控制器（如
　　EPC），调节基材的偏移。
　　收卷装置：型式与放卷部相同，但必须对应一定的卷绕直径，并安装有张力调节辊，通过调节张力和压力来控制控制收卷的张紧程度。
　　3.3.2预热处理
　　在复合工序前，通过预热辊里热油的加热,把经过的薄膜进行加热（70～80℃），令与流涎膜、基材等复合后变成粘合牢固的复合膜。
　　热辊压合孔口处理装置:在生产线上，我们做了一个改善，在预热辊处安装了孔口压平装置，使待产产品的基材上的孔口在进入复合前，先被压平，这样一来，既减少了纸基材上粗糙的孔口对硅胶辊的磨损，其孔口处采用特殊处理，增强了阻隔性及特殊防渗效果，降低了设备维护的投入，而且生产速度提高了25%，生产效率得到进一步提高。
　　3.3.3电晕处理
　　为了取得良好的粘合效果，从电晕机内发生器产生的电火花将塑料膜进行电晕处理，从表面凹凸使其在复合机的复合工序中，与流涎膜、基材等加紧粘合度。
　　3.3.4挤出机
　　挤出成型系统是把塑料由粒状通过高温加工变成流体，然后从T型模头均匀挤出的整套设备。可以是单层，两层共挤，三层共挤或多层共挤。
　　3.3.5二放（夹层）放卷
　　二放卷装置：铝箔正反面高速自动接换料。为了适应多层挤出复合的需要，一般需要安装第二放卷装置。使挤出复合设备的生产真正意义上实现了全自动生产，大幅度提高了生产线的自动化程度与生产效率，节约了大量的人力与物力的浪费。在挤出复合行业的发展中，并且使产品使用具有极大的经济效益和社会效益。
　　3.3.6复合
　　复合部分主要是由冷却辊、压辊、背压辊、剥离辊等组成。合上压辊（即硅胶辊），冷却辊和压辊对需要复合的基材和挤出淋膜进行复合加压，同时，，由于冷却辊和压辊的相互反方向转动，使具有一定高温度的基材和热熔的淋膜有机复合，生产出剥离强度较强、厚度均匀的多层挤出复合产品。
　　4高性能低能耗共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线的设备特点
　　主要创新突破点：
　　a.集成创新，实现纸塑（铝）多层软包装材料的节能、高效和精密的共挤复合；
　　b.基于能量动态平衡节能技术的三层共挤挤出机节能新结构。
　　总体技术达国内领先或国际先进水平。
　　4．1节能
　　因为我国这类生产线的关键装备和技术曾一直较落后，主要表现在其中的关键装备——挤出机和机头的性能，包括熔融塑化、混炼、挤出产量、流动均匀性、能耗、热稳定性和热变形等。
　　根据“混沌混炼塑化理论”，高分子材料在挤出机的熔融塑化过程中产生了分流、对流、增压–减压、延伸、剪薄、压延等多种混沌混炼效应，形成了“固体颗粒–熔体混合物”，这种熔融过程具有熔融速率较高、高效率的混炼，共混效率随混炼时间成幂指数增加，熔融消耗功率较低、熔体平均温度较低以及混炼和温度分布较均匀等优点，因此可大幅度提高挤出产量；同时其混沌混炼产生的热能被完全充分利用，外加热补充的热能也全部利用，而生产过程中没有机筒冷却风机（风机还要耗电去冷却）反而利用保温材料防止热能的损失和温度自动补偿控制也得到完全的吸收，建立熔融塑化能量平衡，机筒加热器外设置保温材料是其挤出机节能的外在特征，大大提高了熔体流动的均匀性和包装薄膜厚度的均匀性，从而实现了优良的节能效果。
　　4．2材料成本降低
　　4.2.1材料成本分析
　　在同样制品宽度为W、长度为L相同条件下，通过对目前同类二共挤复合材料样本1结构EAA9μm/LDPE+MLLLDPE18μm、样本2结构EAA10μm/LDPE+MLLLDPE20μm和本项目研究三共挤复合材料样本3结构EAA6μm/LDPE18μm/LDPE+MLLLDPE（20%）6μm、样本4结构EAA9μ-LDPE9μ-（LDPE+MLLLDPE20%）9μm进行比较：
　　二共挤复合材料材料样本1的成本
　　=第1层材料1厚度×宽度×长度×材料1密度×材料1单价+第2层材料2厚度×宽度×长度×材料2密度×材料2单价
　　=9×10-6×W×L×0.95×103×27+18×10-6×(W×L×0.915×103×18×50%+W×L×0.91×103×32×50%)
　　=0.23085WL+0.4559WL=0.68675WL（元）
　　二共复合材料材料样本2的成本
　　=第1层材料1厚度×宽度×长度×材料1密度×材料1单价+第2层材料2厚度×宽度×长度×材料2密度×材料2单价
　　=10×10-6×W×L×0.95×103×27+20×10-6×(W×L×0.915×103×18×50%+W×L×0.91×103×32×50%)
　　=0.2565WL+0.1647WL+0.2912=0.7142WL（元）
　　三共复合材料材料样本3的成本
　　=第1层材料1厚度×宽度×长度×材料1密度×材料1单价+第2层材料2厚度×宽度×长度×材料2密度×材料2单价+第3层材料3厚度×宽度×长度×材料3密度×材料3单价
　　=6×10-6×W×L×0.95×103×27+18×10-6×W×L×0.94×103×18+6×10-6×〔（W×L×0.94×103×18)×80%+（W×L×0.91×103×32)×20%〕
　　=0.1539WL+0.29646WL+0.114WL=0.56436WL（元）
　　三共复合材料材料样本4的成本
　　=第1层材料1厚度×宽度×长度×材料1密度×材料1单价+第2层材料2厚度×宽度×长度×材料2密度×材料2单价+第3层材料3厚度×宽度×长度×材料3密度×材料3单价
　　=9×10-6×W×L×0.95×103×27+9×10-6×W×L×0.94×103×18+9×10-6×〔(W×L×0.94×103×18)×80%+（W×L×0.91×103×32)×20%〕
　　=0.23085WL+0.14823WL+0.1710WL=0.55008WL（元）
　　从可以看出，三共复合材料成本与二共挤复合材料成本分析见表1。
　　表1材料成本分析一览表
　　复合材料 材料成本
　　（元） 与样本1比较（%） 与样本2比较（%）
　　二共复合材料 样本1 0.68675 —— ——
　　 样本2 0.71420 —— ——
　　三共复合材料 样本3 0.56436 17.8% 21.0%
　　 样本4 0.55008 20.0% 23.0%
　　注：设定W=1，L=1条件下的单位成本。
　　4.2..2实验分析结论
　　通过对复合材料进行测试、分析和实验研究，综合以上结果及分析，可以看出，公司实际生产出的挤出复合材料（结构为纸220g/㎡/LDPE8μ-LDPE7μ/AL6.3μ/EAA9μ-LDPE9μ-（LDPE+MLLLDPE20%）9μm）的分层效果、薄膜均匀度及剥离强度上均达到要求，故采用的原材料组合EAA9μ-LDPE9μ-（LDPE+MLLLDPE20%）9μm的性能最优和价格最廉，可以为以后生产高性能包装材料提供指导。
　　4.3新型动态调幅机构
　　新开发的新型动态调幅机构，可实现挤出机在线调节挤料边幅，可同时控制边幅宽度和边部厚度，达到部分材料复合后，不用切边的目的。从而可减少因切除边料而造成的材料巨大浪费，同时也减少了处理边料的投入，为用户节省大量的生产材料，直接或间接的经济效益十分可观。
　　4.4模头气隙电动调整功能
　　该生产线整机采用三套共挤成型系统联线生产，可实现液体食品包装用10层结构的复合材料一次成型，产品结构成本低，效率高，经济效益可观。同传统的工艺相比，效率可提高3-5倍，成本可节约20%-30%；而且设备购置成本极低，性价比比传统设备高50%，产出的产品质量可靠，复合后剥离强度、均匀度、热封性能、阻隔性能等各项指标均达到国际标准水平，成品率达97%，达到国际先进水平。
　　4.5达到的主要技术指标
　　（1）节能：总装机功率由目前同类高档生产线1250kW左右降低到1030kW左右，即整线的能耗降低约20%；挤出机单耗降低到0.13～0.15kW/(kg/h)。
　　（2）节材：本项目三共挤生产线材料EAA6μm/LDPE18μm/MLLDPE6μm为目前同类两共挤出生产线材料EAA10μm/MLLDPE20μm节约材料成本20%以上。
　　（3）挤出膜厚度均匀度：挤出膜厚度误差由目前同类高档共挤复合生产线的±5~10μm降低至±3～5μm。
　　（4）复合膜剥离强度：≥2N/15mm（对EAA/LLDPE/PE+MLLDPE）。
　　本项目完成后，第（1）项节能效果明显，达到国际先进水平，第（2）、（3）、（4）项达到国内领先水平，每年可销售3～4条生产线，预计年新增产值2000万元，年出口创汇100万美元。
　　4.6达到的主要经济指标
　　每年平均生产按6条生产线计算，预计能拉动食品无菌包装、软包装相关材料相关产业的经济效益近20亿元。由于辉隆公司的设备价格远低于进口设备，可为用户节约设备购置成本约21,000万元（按进口设备每条生产线平均4,000万元人民币，辉隆公司每条生产线平均500万元人民币计）。每年共可节电5184千度/年，相当于每年节约2032吨标准煤。
　　5高性能低能耗共挤双向拉伸聚丙烯合成纸生产线的发展前景
　　一个时期内，中国塑料机械的发展趋势主要将朝着组合结构、专用化、系列化、标准化、复合化、微型化、大型化、个性化、智能化方向发展，同时要满足节能、节材、高效的要求。在挤出机、挤出机生产线方面，总的发展趋势是，也将朝着高效、节能、环保、大型、精密、多层的方向发展，尽快提高现有产品的技术含量和产品的质量可靠性，并提高了设备有效作业率。
　　总之，我国共挤纸塑（铝）多层软包材共挤复合生产线正朝着节能、超精密成型和高性能方向发展，本文的研究可以为十层高性能低能耗纸塑（铝）多层软包材产品性能的改善提供了依据，达到实现共挤出过程的自动化控制、提高产品质量、提高劳动生产率的目的。