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五层共挤复合热收缩肠农膜机组的研制 塑 料 2 0 0 3年第 1 期 ( 3 2卷 ) 五层 共挤 复合热收缩肠衣膜机组 的研 制 李 建华 ( 北京 市塑料工业联合公 司， 北京 1 0 0 0 3 4 ) 摘要： 运 用 高分子 聚合物 晶 态结构 理 论 、 松 弛理 论 和挤 出流 变理 论 ， 分 析和 研 究 了五层 共 挤 复 合 热 收缩肠衣膜机组在设计研制 中应该着重考虑和解决的技术关键 f*q 题。从而提出了五层共挤复合热收缩 肠衣膜机组在冷却形式、 拉伸方式、 加热形式 、 膜坯温度控制、 牵引速比设置 、 螺杆长径 比、 压缩比、 螺杆 与料筒间隙、 共挤模头形式 、 卷取张力控制等一 系列技术参数的选择与确定。为研究其他相关产品提供 了借 鉴和 参考 。 关键词： 多层共挤 成 型技 术 ； 多层 共挤 成型设 备 ； 热收缩 膜 ； 肠 衣膜 中图分类号 ： T Q3 2 O 5 2文献标识码 ： A文章编号 ： 1 0 0 1 9 4 5 6 ( 2 0 0 3 ) 0 1 0 0 5 1 0 5 De v e l po me n t o f t h e M a c hi ne S e t f o r Fi v e - l a y e r Co e x t r u de d He a t Sh r i nk a bl e Ca s i ng Fi l m LI J i a n - h u a ( B e i j i n g P l a s t i c s l n d u s t r i a l Un i t e d C o ， B e i j i n g 1 0 0 0 3 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t ： Th e k e y t e c h n i c a l p r o b l e ms t o b e c o n s i d e r e d a n d s e t t l e d i n t h e d e s i g n a n d d e v e l o p me n t o f t h e m a c hi ne s e t f o r f i ve - l a ye r c o e x t r ud e d h e a t s hr i n ka b l e c a s i n g f i l m we r e a n a l y z e d a nd s t u d i e d by p ol y me r c r ys t a l l i ne s t r u c t ur e， r e l a x a t i on a nd e x t r us i o n r he ol o g i c a l be ha v i o r Thu s a s e r i e s of t e c hn i c a l d a t a we r e c h o s e n a n d d e t e r mi n e d， s u c h a s c o o l i n g ， s t r e t c h i n g， h e a t i n g， t e mp e r a t u r e c o n t r o l f o r f i l m p a r i s o n ， d r a w r e t i o ， L D r a t i o o f t h e s c r e w， c o mp r e s s i o n r a t i o， t h e n i p b e t we e n s c r e w a n d b a r r e l ， c o e x t r u s i o n d i e， t e ns i o n c o nt r o l f o r wi n d i ng， t hus of f e r i ng r e f e r e n c e s f o r d e v e l op i ng o t he r r e l a t e d m a c h i ne s Ke y wo r d s ： mu hi l a y e r c o e x t r u d e d ma c h i n e ； mu h i l a y e r c o e x t r u d e d t e c h p i q u e s ； h e a t s h r i n k a b l e f i l m ； c a s i n g f i l m 1 前 言 肠 衣是 肉食产 品的包装 ， 早期 由动物肠衣制成。 动物肠 衣 由于机 械强 度 、 耐 热 性 、 可 透 光性 及 印刷 性 ， 特别是抗菌性方面存在诸多问题 。树脂肠衣很好地解 决 了动物肠衣存在的许多问题， 被国内、 外大量使用。 树脂肠 衣分 为 P A6 肠 衣 膜 ( 国外 P A6 6肠 衣膜 ) 、 P A6 热收缩肠衣膜、 P VD C热收缩肠衣膜、 三层共挤复合热 收缩肠衣膜及近几年出现的五层复合热收缩肠衣膜。 五层共挤复合热收缩肠衣膜可选用树脂范 围更为广 泛 ， 如 ： P E、 mP E、 P P 、 P E T、 P A、 S e l a r - P A( 非 结 晶 尼 龙) 、 E VOH、 P VD C、 E VA、 E AA( 乙烯 丙 烯 酸共 聚 物) 、 S u r l y n ( 烯烃离子聚合物) 等。五层共挤复合热收 缩肠 衣膜 很好解 决 了 P A6 肠 衣膜 机械 强度 差 、 透水 率 高 、 包 装 效 果 不 佳， P A6热 收 缩 肠 衣膜 透 水 率 高 ， P VDC热收缩肠衣膜( 适合高温 1 2 1 1 3 5 肉食灭菌的 包装) 加工难度高 、 废料处理存在环保问题以及三层复 合热收缩肠衣膜阻隔性能不高等问题 。五层共挤复合 热收缩肠衣膜可以灵活地用不同树脂组合， 经济地生 产 出有不 同阻隔要求 的肠 衣膜及 肉食 品的拉伸包装 袋 。目前我国用于低温灭菌熟肉制品的高阻隔性肠衣 包 装膜 主要依 赖进 口。我 国是 人 口大 国 ， 随 着 生 活方 式改变及生活节奏加快等因素 ， 方便 肉食制 品的消耗 量快速增长 ， 肉食产品的包装有 着巨大的市场需求 。 收稿 日期 ： 2 0 0 2 1 o 一2 3 作者简介 ： 李建华 ， 男( 汉族 ) ， 北京市塑料工业联合公司总工程师兼技术开发部经理 。 维普资讯 塑 料 2 0 0 3年第 1期( 3 2 卷 ) 五层共挤 复合热收缩肠衣膜机组 的研制 据报 导 ， 目前我 国熟 肉 、 禽 肉制 品 每 年 3 0 0多 万 吨 ， 占 肉类总产量的 6 ， 而发达国家熟肉、 禽肉制品占肉类 总产量的 5 0 以上 。专家预测 ， 肉食的包装产品将 以 每年 2 0 速度增长 。发展阻隔性各类包装利于 国民 经济 增长 ， 民族 工业发 展 。 2 国 内、 外五 层共挤 复合 热收 缩肠衣 膜机 组发 展状 况 德 国 P L AME X 公 司生 产 设 备 技 术 先进 ， 设 备 采 用融体泵稳定挤出； 使用堆叠式共挤复合模具降低物 料接触流道的表面积既减少模具湿润面， 又缩短 了滞 留时间； 肠衣膜卷取为旋转收卷； 整机计算机控制， 自 动化程度高。进 口五层共挤复合热收缩肠衣膜机组售 价昂贵， 一般在千万元 以上。世界上制造复合肠衣设 备生产历史并不长 ， 第一 台三层复合收缩肠衣膜机组 于 1 9 9 3年 由德 国赫 斯特 公 司 首先 推 出 的 ， 国 内 ， 1 9 9 8 年我公司首先试制成功三层共挤复合热收缩肠衣膜机 组 ， 于 2 0 0 0年， 试制成功五层共挤复合热收缩肠衣膜 机组 ， 填补了国内的空 白， 同等设备售价不足国外复合 设备价格的十分之一 ， 该设备所生产肠衣膜已取代大 量进 口肠 衣膜并 已批量 出 口。 3 五层 共挤 复合热 收缩肠 衣膜机 组 结构及 生产原 理 3 1 五 层共挤 复合 热收 缩肠 衣膜机 组 的结构 研制五层共挤复合热收缩肠衣膜机组的结构见图 1 图 1 五层共挤复合热收缩肠 衣膜 机组 简图 1 挤出机 ； 2 共挤模头 ； 3 第一牵引机( 水冷) ； 4 第二牵引机 ； 5 拉伸预热加热桶 ； 6 拉伸加热桶 ； 7 冷却风环； 8 第 三牵 引机 ； 9 第四牵引机； 1 O 定型加热桶； 1 1 定型冷却风环 ； 1 2 旋转 收卷 机组主要用于生产折径 4 0 mm3 0 0 mm 的热收 缩肠衣膜 ， 可生产 P E或 P P 粘合剂 P A或 E VOHI 粘 合剂 P E或 P P； P A 粘合 剂 P E 粘合剂 P A等 多层 膜 结 构 ， 膜 厚 0 i mm 0 0 2 mm， 肠 衣 膜 生 产 速 度 一 5 2 1 5 m mi n 4 0 m rai n ， 机组 总功 率 7 5 k w ， 用 水量 2 0 L mi n ， 压缩空气消耗量 1 0 0 L mi n 。 3 2 五 层共挤 复 合热 收缩肠 衣膜机 组 生产原 理 由于肠衣膜阻隔性要求 ， 热收缩肠衣 膜使用树脂 几乎均为结晶形高聚物 ， 而非结晶形高聚物与结 晶形 高聚物不同之处是一次膜坯无须骤冷 ， 拉伸以后一般 不进行热处理 ， 除非有特殊要求。 ( 1 ) 五台挤出机分别将肠衣膜要求 的树脂输送 、 塑 化 、 计量及挤入五层共挤复合吹膜成型模头。 ( 2 ) 模头挤 出肠衣膜一次膜坯 ， 使 用冷冻水骤冷 ( 水温 5 1 0 ) 使一次膜坯 分子结构处于无定形 态 ， 使膜坯易于二次拉伸 。外层使用 P A树脂时 ， 水还 可以破坏 P A树脂强烈的氢键有助于拉伸。一次膜坯 折径通过膜坯内通入 的压缩空气量来控制折径 ， 在挤 出量恒定条件下 ， 第一牵引速度可控制一次膜坯的厚 度。 ( 3 ) 一次膜坯经拉伸预热桶、 拉伸桶加热 ， 使膜坯 温度在 T ( 玻璃化温度) 与 T ( 熔点温度) 范 围之间， 在加热的一次膜坯内通入压缩空气将其横向吹胀即拉 伸 ， 通过第二牵引辊与第三牵引辊的速度差 ， 完成纵向 拉伸。双向拉伸肠衣膜再经风冷冷却 ， 冷却使高聚物 分子取向冻结 ， 这使肠衣膜具有热收缩性 ， 这是利用了 高聚物材料” 弹性记忆” 特性。第三牵引辊应能上下移 动 ， 以便于小范围内调整吹胀比、 薄膜折径宽窄及补充 吹胀膜泡中泄漏的气体 。 ( 4 ) 完成双向拉伸热收缩肠衣膜， 进入定型加热桶 加热 ， 加热温度略高于拉伸温度。膜泡 内通入压缩空 气吹胀膜泡 ， 直径 比双向拉伸时膜泡略小( 一般小 5 2 0 左右其称为横向缓和率) ， 定型膜泡下收卷牵引 辊比第 四牵引辊略慢一些 ( 一般小 5 2 0 左右其 称为纵向缓和率) 并通过风环冷却 ， 完成拉伸膜热定型 处理 。定型处理可以使部分取向聚合物发生结晶化而 变的稳定 ， 这样生产收缩薄膜外观平整不易变形 ， 自然 变形小。热定型处理后薄膜经旋转收卷卷取 ， 旋转卷 取可避免膜卷出现” 暴筋” 同时利于印刷 。第四牵引辊 应能上下移动 ， 以便于小范围内调整横向缓和率、 薄膜 折径宽窄及补充定型膜泡中泄漏的气体。 4 五层复合热收缩肠衣膜机组主要结构及参数的确 定 4 1 共挤复合肠衣膜拉伸形式 共挤复合肠衣膜拉伸形式分为 ： 下 吹水平拉伸热 定型形式 ； 下吹垂直拉伸热定型形式 。前者操作便利 ， 维普资讯 五层共挤复合热收缩肠 衣膜机组 的研制 塑 料 2 0 0 3年第 1期( 3 2卷) 设 备 总体重量 轻 ， 固定 可 靠 ， 工 作 稳 定 性 好 ， 但 肠 衣膜 拉伸加热温度均匀度稍差 ， 对折径较 宽的薄膜影响会 更大一些 ， 如要改善温度 均匀性需增加热风循环系统 且此法设备占地面积大。后者加热均匀度好 ， 设备 占 地面积小 ， 易实现旋转收卷 ， 不足之处设备高大， 操作 不及下吹水平拉伸热定型式便利。考虑到市场对产品 质量要 求不 断提 高 、 地价 不 断升高 ， 选 用下 吹垂直 拉伸 热定 型形式 。 4 2 螺杆形式及主要参数选择 为了适应加工不同树脂配备 了不同的螺杆如： P E 树脂专用螺杆、 P A树脂专用螺杆、 E VOH树脂专用螺 杆及粘合剂专用螺杆 以确保塑化质量与稳定挤出。 4 2 1 加工 P A树脂 螺杆 形式 及参数 4 2 1 1 加 工 P A 树脂 螺杆形 式 根据高聚物挤出理论尼龙属于结晶形物料使用突 变螺杆 ， 由于 尼龙 物料结 晶度 一般 为 3 O 左 右 ， P A 树 脂熔融温度范围很小 ， 故选螺杆 L ( 压缩段长度) 3 D 4 D( D为螺 杆直 径) 。 4 2 1 2 P A螺 杆形 式及螺 杆 主要技 术参数 的确 定 根 据挤 出理论 Q a r t 一 ( + 7 ) 7 口一 ( 丌 D6 H3 2 ) s i n O c o s O 一 ( D6 H3 。 甄 ) 1 2 L3 y一2 Db 2 t a n O 1 2 d L 3 式 中 ： 一 螺杆转 速 ； 可 一树脂 粘度 ； L 。 一计 量段 长度 ； P一模 头压 力差 ； 一 螺杆与料筒间隙； Hs 一螺杆计量段 的深度。 我们从 中可以看到 ， 低粘度树脂容易产生较大挤 出波 动 ， P A 螺 杆计 量段 加 长 即增 加螺 杆 长径 比 ， 减小 6 有 利于稳 定挤 出 ， 同时加 大挤 出量 ， 再 者考 虑加 工其 他原 料如 E VOH 树 脂 ， 其要 求 L D 小 。国外一 般 P A 树 脂 的 L D 2 2： l最好 2 5：l ， 而 E VOH 的 L D 3 0：l ， 最终选择 L D 2 8：l 。L 。 和 L 。的选择一般 大致相等 ， 本设计为 L 。 一1 2 D， L 一4 D。艿的值的选 择 Qa n一( p +7 ) T l 公式 艿值越小越好 ， 根据 国内加 工精度 ， 直线 度公 差 为 0 0 2 0 mm m， 再 综合 其他 因 素 ， 艿定为 0 0 8 mm0 1 0 mm。加工 P A推荐压缩 比 为 3 0 4 0 ， 本 设 计 考 虑 到 由于 螺 杆 直 径 小 ， 为 3 0 mm3 5 mm， 机械强度较差 ， 故选择压缩 比为 3 5 。 值得注意是 当压缩比3 0时 ， P A树脂融体中易夹杂 气泡 。 4 2 2 加 工 E VOH 树脂 螺杆 形式及 参数 E VOH( 乙烯一 聚 乙烯 醇 共 聚物 ) 是半 结 晶热 塑 型 树脂 ， 加工 E VOH螺杆形式采用常规全螺纹 螺杆 ， 不 能使用带混炼结构的螺杆， 否则易引起 E VOH 的“ 凝 胶 ” 现 象 ， 加 工 E VOH 螺 杆参 数 选 择 原则 ： L D 为 2 4 ： l 3 O：l ， 压 缩 比为 3 0 4 0 ， L 2 2 0 2 5 L， L s 一3 5 5 O 9 6 L。本设 计 确定 压 缩 比为 3 ， L 一6 D， L3 1 0 D。 4 2 3 加 工 P E树脂 螺杆形 式选 择 带颜色肠衣是肠衣主要品种之一 ， 五层任意层均 可加入色母料 ， 一般常加入 P E层 中， 有时多层同时加 入 色母料 增强 颜色 表现力 。加 工掺入 色母料 树脂 的挤 出机螺杆应有较强的混炼能力 ， 使色母料均匀分布， 否 则在肠衣膜上形成深浅不一的色条。当然出现色条也 可能与其它因素有关 ， 如模具制造精度低 ， 模具中有滞 留物料等。本设计采用屏障及销钉混炼元件的螺杆获 得了很好效果 ， 混炼螺杆结构见图 2 。 母 图 2 混炼螺杆结构图 4 3 共挤复合成型模头形式的确定 共挤复合成型模头结构形式 ： 一种为传统芯棒式 、 另一 种为堆 叠式 ， 新 近发 明锥 形 堆叠式 。芯棒 式 、 堆叠 式共挤复合成型模头结构见 图 3 。传统芯棒式共挤复 5 3 维普资讯 塑 料 2 0 0 3年第 1期( 3 2卷 ) 五层共挤复合热 收缩肠衣膜机组的研制 合成 型模 头加工 相对 容 易 ， 适 用 于共 挤 复合 层 数 较 少 的共 挤复 合成型 模 头 ， 因多层造 成模 头尺 寸庞 大 ， 最 外 层与最内层树脂融体流速差随层数增加而加大。靠近 外层树脂融体流速缓慢， 易产生物料滞 留不利于长期 稳定生产 ， 对于热稳定性相对较差的树脂尤为不利， 如 E VOH。 同时 内、 外 层 温 度 相 互 干 扰 较 大 ， 温 差 也 较 大 ， 造成对树脂选择相对苛刻一些 。堆叠式共挤复合 成 型模 头加工 难度 较 大 ， 成 型 模 头 密封 要 求 高 。锥 形 堆 叠式更 适 于更多 层 共挤 复 合 模 头 ， 较 好 解决 了密 封 问题 ， 减小 高聚物 融体与 模 头接触 面积 ， 但加 工难 度更 高 。本 设 计 考 虑 到 加 工 P A、 E VA、 E AA、mP E、 E VOH、 S u r l y n 、 B y n e l ( 粘 合树 脂 ， 杜邦公 司) 及 A D ME R( 粘 合 树脂 ， 三井 公 司) 树 脂 适 应 性 ， 及 加 工 可行 性 。采用堆叠式的共挤复合成型模头结构。 堆叠式共挤模具结构 芯棒 式共挤模 具结构 图 3 共挤 成型模 头结构 简图 4 4肠 衣膜一 次膜胚 的 冷却形 式选择 肠衣膜 一次膜 胚 的冷却形 式 ： 一般 有风冷 、 冷 冻水 冷却 、 普通水冷。本设计采用冷冻水冷却。因为肠衣 膜阻 隔要求 ， 选用 的树 脂 大 多为 结 晶 形 物料 。按 聚合 物结晶理论 ： 冷却时 当冷却介质温度 T 远低于聚合 物玻 璃化 温度 T 时 ， T( A TT 一 T ) 越 大 结 晶度 越低 ， 越 易于拉 伸 。结 晶度 高膜 坯拉 伸强度 高 ， 不 易拉 伸 ， 甚至无法拉伸， 薄膜热收缩率小。同时外层为 P A 树脂 的肠 衣膜 是肠 衣 膜 的 主导 产 品 ， 由 于 P A 树脂 存 在酰 胺键 ( 一C ONH一 ) ， 分子 间存 在着强 烈 的氢 键 ， 水 有破坏氢键作用 ， 使拉伸易于进行 。另外肠衣膜 中有 较大 比例为要求 高透 光 度 ( 或 称 透 明 度) 的 产 品 ， 显 然 使用水冷是非常必要的。 4 5 拉 伸预 热 、 拉 伸 、 定型桶加 热形 式及 加热 器选择 拉伸预热、 拉伸、 定型桶加热形式有电加热、 水加 热及 蒸汽 加热 。 ( 1 ) 水加热仅适 于肠衣膜拉伸加热， 温度均匀 ， 肠 一 54一 衣膜 中 P A 树脂 可 吸入 少 量 水份 ， 水 分子 对 P A 有增 塑作用 ， 可降低肠衣膜的拉伸温度 同时吸湿使产品 自 然 收缩变 形小 ， 但加 热温 度范 围较小 。 ( 2 ) 蒸汽加热适 于肠衣膜定型加 热， 温度均匀 ， 运 行 费用 低但设 备投 资 大 ， 适合 有蒸 气源 的厂 家 。 ( 3 ) 电加 热加 热 范 围大 ， 最高 温度 可 达 3 5 0 ， 对 不同树脂拉伸、 定型适 应性强 ， 环境清洁 ， 安放位置灵 活 ， 占地面积小 ， 但其温度均匀性不及水 、 蒸汽加热 。 考虑 工艺适 应性 及 成 本 ， 本 设计 选 用 电加 热形 式 。为 了节约能源 ， 提高加热效率 ， 选用远红外 陶瓷加热器， 经 合理排 列来 弥补 温度 均匀性 得 到 了很 好效果 。 4 6共挤 复合肠 衣膜 卷取 形式 的确 定 薄膜卷取 形 式分 为 ： 中心卷取 、 表面 卷取 。 ( 1 ) 中心卷取结构较简单， 驱动动力直接与收卷轴 连接 ， 对恒 张力 要求 不 高 的可 用 摩 擦 盘 、 力矩 电机 ， 对 薄膜卷取要求较高的可选用专用软特性直流电机 ， 在 单板机控制下 实现 恒张 力要 求符 合下 列公 式： P= = = 2 M d ( P一张力， M一力矩， d 一薄膜卷取时的直径) ， 即随薄膜卷取直径增加而力矩增加， 亦可采用闭环瓷 粉离合器实现恒张力 。单工位收卷换 卷较麻烦， 实现 自动结 构 复杂 、 造 价高 。 ( 2 ) 表面卷取驱动电机驱动主动辊 ， 卷取辊靠在主 动辊上所产生摩擦力带动卷取辊将薄膜卷在卷取辊 上。卷取速度取决主动辊转 速， 而不受薄膜卷取直径 d的影 响 。卷 取 张 力 丁取 决 主 动 辊 和 卷取 辊 之 间摩 擦力 F的大小 ， 既膜卷质量 G的大小 。主动辊往往放 置卷取辊正下方或偏移一个角度的斜下方 ， 卷取辊 卷 取薄膜多少变化， 既卷取薄膜质量变化影响摩擦力的 大小， 继而影响卷取张力变化 ， 即卷取直径增加卷取张 力 增加 。 为了弥补张力变化将卷取辊两端支撑造成曲线 ， 减小重力影响。单工位收卷装置换卷方便 ， 对卷取膜 薄厚均匀度要求高 。当卷取膜薄厚均匀度差时会使卷 取薄膜呈锥状且“ 暴筋” 明显。考虑采用螺旋复合模头 肠衣膜厚度均匀， 同时又为旋转卷取 ， 再综合考虑换卷 便利及制造成本 ， 本设计采用表面卷取 ， 采用瓷粉离合 器控制 力矩 。表 面卷取 结构 简 图见 图 4 。 5 收 卷旋转 机构 的确定 吹塑薄膜的厚度均匀度 比平膜、 流延膜及压延膜 偏差大， 而膜泡法生产 的热收缩薄膜 比吹塑薄膜厚度 均匀度偏差还大一些 ， 这对印刷不利， 也使膜卷表面不 平整。为了解决这一问题， 一般采用主机旋转 、 模头旋 维普资讯 三螺轩挤 出机及其特性 塑 料 2 0 0 3年第 1 期 ( 3 2卷 ) 转或收卷旋转的方式， 把薄膜厚点分散在薄膜不 同位 置 。主机旋转 的方式因旋转部件体积大、 电路实现较 图 4 表面收卷结构示意图 困难 、 不利 于维修 等。模头旋转体积小 ， 电路控制简 单 ， 易于 实现 ， 但 须 很好 解 决 密 封 问题 ， 并 且 磨 损 后 更 换密封件较麻烦。收卷旋转是 国内、 外近年来使用较 多的方式， 它又分为收卷牵引辊旋转及收卷整体旋转， 前者适用于大折径的薄膜， 后者适用于小折径的薄膜， 旋转体积中等 ， 电路实现简单 ， 加工制造可行 。多层共 挤复合薄膜如模头旋转密封 问题更突出， 再者 P A树 脂粘度很低 ， 漏料 间隙为O 0 2 mm， 同时肠衣膜折径 很小 ， 因此本设计采用收卷整体旋转的方式。 6 结束语 通过五层共挤复合热收缩肠衣膜机组研制成功， 总 结 出如下结 论 ： ( 1 ) 影响肠衣膜尺寸精度的重要因素是 ： 挤 出机挤 出量的稳定 ； 共挤模头设计 合理及