拉幅薄膜成型綜述

1、拉幅薄膜的成型工藝綜述1 摘要：綜述了拉幅薄膜成型的概念，取向原理和方法，并闡述了拉幅薄膜成型工藝的影響因素等幾方面的內(nèi)容。關(guān)鍵詞：無定形聚合物 結(jié)晶聚合物 拉伸 取向 薄膜 熱定型 冷卻1 拉幅薄膜成型的概念： 拉幅薄膜成型是在擠出成型的的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種塑料薄膜的成型方法。它是將擠出得到的厚度為1-3毫米的厚片或管坯，重新加熱到Tg-Tm（或Tf）溫度范圍進(jìn)行大幅度拉伸而形成的薄膜。 拉幅薄膜的生產(chǎn)，可以將擠出原片（或管坯）與拉幅過程直接聯(lián)系起來進(jìn)行連續(xù)的生產(chǎn)，不一定將生產(chǎn)厚片或管坯與拉幅工序分為兩個單獨(dú)的過程來進(jìn)行。但不管哪種方式，聚合物在拉伸前都必須從較低溫度下重新加熱到Tg-Tm

2、（或Tf）間的加工溫度，所以拉幅薄膜是一種二次成型技術(shù)。2 薄膜的取向原理： 拉幅成型使聚合物長鏈在Tg-Tm（或Tf）溫度區(qū)間受到外力作用沿拉伸作用力的方向伸長和取向，取向后聚合物的物理機(jī)械性能發(fā)生了變化出現(xiàn)各向異性強(qiáng)度增加。 分子鏈取向后，聚合物的物理機(jī)械性能發(fā)生了變化，產(chǎn)生了各向異性現(xiàn)象；拉幅薄膜就是大分子具有取向結(jié)構(gòu)的一種材料。與未拉伸薄膜比較，拉幅薄膜有以下特點(diǎn)：（1）強(qiáng)度為未拉伸薄膜的3-5倍，透明度和表面光澤好，對氣體和水蒸氣的滲透性降低，制品使用的價(jià)值高；（2）薄膜厚度減小，寬度增大，成本降低；（3）耐熱、耐寒性改善，使用范圍擴(kuò)大。拉伸時(shí)如只由一個方向進(jìn)行的稱單軸拉伸，此時(shí)材料

3、中的分子沿單軸取向；如由平面的兩個不同方向（常相互垂直）進(jìn)行的拉伸稱雙軸拉伸，此時(shí)材料中的分子沿雙軸取向。單軸取向在合成纖維中的帶普遍應(yīng)用，但單軸取向的薄膜，因容易按平行于拉伸的方向撕裂，故應(yīng)用面窄。雙軸取向中聚合物的分子鏈平行于薄膜的表面，相互之間并不像在單軸取向的纖維中那樣平行排列，因而可能達(dá)到的抗張強(qiáng)度雖大于未取向薄膜，但卻不如取向的纖維那樣大。3 薄膜拉伸取向方法：薄膜的拉伸取向方法主要分為平膜法（即拉膜法）和管膜法，兩種方法又有不同的拉伸技術(shù)，可分為： 單向拉伸 先縱后橫拉伸 平膜法 逐次拉伸 雙向拉伸 先橫后縱拉伸 薄膜拉伸取向 縱橫同時(shí)拉伸 泡管法 管膜法雙向同時(shí)拉伸 平板式拉伸

4、法管膜法是以雙向拉伸為其特點(diǎn)，工藝裝置和過程與吹塑薄膜的成型相似。由于產(chǎn)品質(zhì)量較差，主要用于生產(chǎn)熱收縮性薄膜。平膜法雖然生產(chǎn)設(shè)備復(fù)雜，但薄膜質(zhì)量較好，目前工業(yè)采用較多，尤其以逐步拉伸平膜法工藝控制較容易，應(yīng)用最為廣泛，主要用于生產(chǎn)高強(qiáng)度薄膜。用于生產(chǎn)拉幅薄膜的聚合物的種類很多，主要有聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET)、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚偏氯乙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚乙烯醇和偏氯乙烯-氯乙烯共聚物等。4 拉幅薄膜成型工藝：工藝對產(chǎn)品性能的影響：無定形的聚合物和結(jié)晶聚合物在拉幅工藝上存在著差別，關(guān)鍵是要通過適當(dāng)?shù)姆椒ê凸に嚄l件，使薄膜中的聚合物分子鏈能形成取向結(jié)構(gòu)。（1） 未取向的無定形薄膜

5、沒有多大的實(shí)用價(jià)值。（2） 結(jié)晶而未取向的的薄膜脆性答，透明性差，同樣使用價(jià)值不高。（3） 取向但不結(jié)晶或結(jié)晶不足的薄膜，多熱收縮十分敏感，使用范圍受到限制。（4） 結(jié)晶適當(dāng)（并且有微晶結(jié)構(gòu)）而又取向的薄膜，不僅抗張強(qiáng)度和模量高，而且透明性好，尺寸穩(wěn)定，熱收縮小，具有良好的使用性能。因此工藝方法和條件，都必須滿足薄膜生產(chǎn)中形成適度結(jié)晶與取向結(jié)構(gòu)的要求。1. 無定形聚合物拉幅工藝流程： 冷卻張緊熱定型 恒溫拉伸 胚料控制溫度在Tg-Tm間 對無定形聚合物，通常控制拉伸溫度在Tg-Tf 間，聚合物處在粘彈態(tài)；由于拉伸中包含高彈態(tài)形變，為使有效拉伸（即取向度）增加，適當(dāng)增大拉力和對位拉伸的薄膜進(jìn)行張

6、緊熱定型就非常必要。通常是將擠出的厚片或管坯加熱到Tg以上的溫度，于恒溫下進(jìn)行拉伸。有時(shí)為了提高薄膜的取向程度，使加熱溫度沿拉伸方向形成一定溫度梯度(材料的彈性模量隨溫度的上升而降低，溫度逐漸升高有利于薄膜拉伸程度的進(jìn)一步提高）。拉伸程度達(dá)到要求后，薄膜進(jìn)入張緊輪上，在不允許收縮的情況下進(jìn)行短時(shí)間的熱處理（熱定型），使薄膜中回復(fù)的高彈形變得到松弛，冷卻后即得熱收縮率小的拉幅薄膜。熱處理溫度通常在Tg-Tf 間，即只允許大分子鏈段產(chǎn)生松弛，而不希望發(fā)生整個分子取向結(jié)構(gòu)的破壞。2.結(jié)晶聚合物的工藝流程：驟冷，降溫至Tg以下，減少聚合物的結(jié)晶程度胚料加熱到Tm熔融，破壞結(jié)晶結(jié)構(gòu)加熱到Tg溫度以上，快

7、速拉伸取向薄膜在0.85Tm溫度處短時(shí)間退火冷卻后，得到微晶結(jié)構(gòu)均勻的拉幅薄膜產(chǎn)品驟冷降溫到Tg以下，保持取向結(jié)構(gòu)對結(jié)晶聚合物，主要由以下兩個原因而不希望在結(jié)晶狀態(tài)下進(jìn)行拉伸取向：（1） 在在結(jié)晶狀態(tài)取向需要更大的拉力，容易使薄膜在拉伸中破裂；（2） 結(jié)晶區(qū)域比非結(jié)晶區(qū)域取向速度快，以致在結(jié)晶狀態(tài)拉伸時(shí)，薄膜取向度很不均勻。所以，拉伸前通常將結(jié)晶聚合物加熱到Tm以上一段時(shí)間，然后在擠成厚片時(shí)進(jìn)行驟冷（最好使厚片溫度迅速冷卻到Tg以下），使聚合物基本上保持沒有明顯結(jié)晶區(qū)域的狀態(tài)；拉伸前再將厚片加熱到稍高于Tg以上溫度（使結(jié)晶不易生長），并進(jìn)行快速拉伸，達(dá)到所需取向后迅速驟冷至Tg以下，可以防止薄

8、膜在拉伸中生長結(jié)晶。形成的薄膜再于最大結(jié)晶速率溫度（通常約0.85Tm）下進(jìn)行短時(shí)間熱處理和冷卻，薄膜中即很快地形成均勻分布的微晶結(jié)構(gòu)。這種薄膜具有較高的強(qiáng)度、尺寸穩(wěn)定、熱收縮小和透明性好的特點(diǎn)。（1） 平膜法逐步拉伸薄膜的成型 目前用的最多的是先進(jìn)行縱向拉伸，后進(jìn)行橫向拉伸的方法，但有資料認(rèn)為先橫后縱的方法能指的厚度均勻的雙軸拉伸薄膜。 縱拉伸有多點(diǎn)拉伸和單點(diǎn)拉伸。如果加熱到類橡膠態(tài)的厚片是由兩個不同轉(zhuǎn)速的輥拉伸時(shí)稱單點(diǎn)拉伸，兩輥筒表面的線速度之比就是拉伸比，常常在3-9之間；如果拉伸比是分配澡若干個不同轉(zhuǎn)速的輥筒來完成時(shí)稱多點(diǎn)拉伸，這是這些輥筒的轉(zhuǎn)速是依次遞增的，其總拉伸比是最后一個拉伸輥

9、（或冷卻輥）的轉(zhuǎn)速與第一個拉伸輥（或預(yù)熱輥）的轉(zhuǎn)速之比。多點(diǎn)拉伸具有拉伸均勻，拉伸程度大，不易產(chǎn)生細(xì)頸現(xiàn)象（薄膜兩邊變厚而中間變?。┑葍?yōu)點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用比較多。大多數(shù)情況下是直接由擠出機(jī)通過縫隙機(jī)頭（如T型口模等）擠成厚片，其厚度根據(jù)欲拉制薄膜的厚度和拉伸比確定。熔融的厚片在冷卻輥上硬化并冷卻到加工溫度以下，然后送入到預(yù)熱輥加熱到拉伸溫度，隨后進(jìn)入縱向拉伸機(jī)的拉伸輥群進(jìn)行縱向拉伸，達(dá)到預(yù)定縱拉伸比的材料，或冷卻或直接送入橫向拉伸機(jī)（拉幅機(jī)）。拉幅機(jī)分為預(yù)熱段、拉伸段、熱定型段和冷卻段。拉伸段由拉幅機(jī)組成，拉幅機(jī)有兩條張開呈一定角度的軌道，其上固定有鏈輪，鏈條可繞鏈輪沿軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，固定在鏈條上的夾具可

10、夾住薄膜兩邊，在沿軌道運(yùn)行中對薄膜產(chǎn)生強(qiáng)制橫向拉伸作用。達(dá)預(yù)定橫向拉伸比后夾具松開，薄膜進(jìn)入熱定型區(qū)進(jìn)行熱處理，最后冷卻、切邊和卷繞而得到產(chǎn)品。其典型的工藝過程如下圖所示： 逐步拉伸平膜法拉幅薄膜的成型工藝過程示意圖1-擠出機(jī) 2-厚片冷卻輥 3-預(yù)熱輥 4-多點(diǎn)拉伸輥 5-冷卻輥 6-橫向拉伸（拉幅）機(jī)夾子 7-加熱裝置 8-加熱裝置 9-風(fēng)冷裝置 10-切邊裝置 11-測厚裝置 12-卷繞機(jī) 聚合物的種類不同拉伸溫度也不相同。（2） 管膜法拉幅薄膜的成型 管膜法拉幅薄膜成型工藝可分為管坯成型、拉伸和熱定型三個階段，管坯通常由擠出機(jī)將熔融塑料經(jīng)管型機(jī)頭擠出成型；并立刻被冷卻夾套的水冷卻。冷卻

11、的管坯控制其溫度在Tg-Tf （Tm）間，經(jīng)第一對夾輥折疊后進(jìn)入拉伸區(qū)，在此處管坯由機(jī)頭和探管通入的壓縮空氣吹脹，管坯受到橫向拉伸并脹大成管形薄膜（稱泡管）。由于泡管同時(shí)受到下端夾輥的牽伸作用。因而在橫向拉伸的同時(shí)也產(chǎn)生縱向拉伸，調(diào)節(jié)壓縮空氣的進(jìn)入量和壓力以及牽引速度，就可以控制縱橫兩向的拉伸比；此法通?？梢赃_(dá)到接近于平衡的拉伸。拉伸后的泡管經(jīng)過第二對夾輥再次折疊后，進(jìn)入熱處理區(qū)域，再繼續(xù)保持壓力，亦即使管膜在張緊力存在下進(jìn)行熱處理定型，最后經(jīng)空氣冷卻、折疊、切邊后，成品用卷繞裝置卷取。拉伸和熱處理過程的加熱通常采用紅外線。此法設(shè)備簡單、占地面積小，但薄膜厚度公差大，主要用于聚酯（PET）、聚

12、苯乙烯（PS）、聚偏氯乙烯等。管膜法拉幅薄膜的成型工藝過程如下圖所示： 5 拉幅薄膜成型過程中的影響因素：拉伸過程中影響聚合物的取向的主要因素為拉伸溫度、拉伸速度、縱橫各向的拉伸倍數(shù)、拉伸方式（一次或多次）、熱定型條件、冷卻速度等。聚合物分子的取向?yàn)橐凰沙诂F(xiàn)象，在同樣的取向條件下，聚合物分子中松弛時(shí)間短的部分能較早的取向，而松弛時(shí)間長的部分，取向較晚。1. 拉伸溫度：松弛時(shí)間隨溫度升高而減少，所以升高溫度有利于分子取向，并能降低達(dá)到一定取向所需的拉應(yīng)力(圖7-18）；但溫度過高時(shí)，解取向也加快。因此不適當(dāng)?shù)厣邷囟?，甚至?xí)贡∧?qiáng)度降低過甚而在拉伸中斷裂，故取向溫度應(yīng)適當(dāng)，一般控制在Tg-Tf

13、 （Tm）間。根據(jù)這一原因，薄膜取向后必須進(jìn)行快速冷卻，否則長時(shí)間的高溫作用會使薄膜中取向結(jié)構(gòu)消失或減小。2. 拉伸速度：由于松弛過程需要時(shí)間，因此拉伸時(shí)，大分子形變?nèi)∠虻乃沙谶^程落后于拉伸速度的變化，如果拉伸速度過大，在較低延伸時(shí)，薄膜就可能在拉伸中破裂。所以薄膜的延伸率和取向度是隨拉伸速度增大而減小的，從圖7-19可看出；同時(shí)在同樣的拉伸溫度下，拉應(yīng)力應(yīng)隨拉伸速度減小而降低（圖7-18）3. 拉伸倍數(shù)： 薄膜中的取向度隨拉伸倍數(shù)而增加。在通常的先縱后橫的拉伸工藝中，如果拉伸倍數(shù)過大，薄膜中先形成了較高程度的單軸取向，再橫拉伸時(shí)就要大大地提高拉伸倍數(shù)，所以縱拉伸倍數(shù)不宜過大?？v拉伸一般較容易

14、實(shí)現(xiàn)和控制，橫拉伸則困難得多，并且工藝上難以調(diào)整和控制，所以多采用較低的縱拉伸倍數(shù)。為了使薄膜在各個方向都有較為均衡的性能，通?？v、橫拉伸大都在3-4被范圍內(nèi)，但拉伸倍數(shù)的確定還要根據(jù)對薄膜性能的要求來決定。拉伸方式2 3： 由于先縱后橫兩步拉伸薄膜的取向度不能很好地控制，因此也有采用先橫后縱兩步拉伸、縱-橫-縱三次拉伸以及縱橫同時(shí)拉伸的方法，但均比先縱后橫拉伸的工藝復(fù)雜，故一先縱后橫拉伸為主。熱定型條件4： 對無定形聚合物熱定型溫度通常控制在Tg附近，結(jié)晶聚合物則需控制在最大結(jié)晶速率的溫度下。對結(jié)晶聚合物而言，薄膜中微晶的形成能使取向結(jié)構(gòu)保存下來，使薄膜的熱收縮可以降低到最小程度，因此薄膜熱

15、定型過程實(shí)際上是聚合物結(jié)晶的過程。為防止薄膜中聚合物分子主鏈在熱定型中發(fā)生解取向，同時(shí)又有利于鏈段得到松弛，取向薄膜的熱定型必須在連續(xù)張緊的條件下進(jìn)行，一般熱定型中薄膜縱橫方向都會有少量收縮。熱塑性聚合物拉伸取向的一般規(guī)律可歸結(jié)如下：（1） 拉伸速度與拉伸倍數(shù)一定時(shí)，拉伸溫度越低，（但應(yīng)以拉伸效果為準(zhǔn)，一般高于Tg）則取向作用較大；（2） 在拉伸溫度和拉伸速度一定時(shí)，取向度隨拉伸倍數(shù)增大而提高；（3） 在任何拉伸條件下，冷卻速度愈快，有效取向愈高；（4） 在拉伸溫度與拉伸倍數(shù)一定時(shí)，拉伸速度愈大則取向作用愈大；（5） 在固定的拉伸溫度和速率下，拉伸比隨拉應(yīng)力而增加時(shí)，薄膜取向度提高；（6） 拉伸速度隨溫度升高而加快，在有效的冷卻條件下有效取向程度提高。 參考文獻(xiàn)：1.郭亮亮, 拉伸薄膜生產(chǎn)線技術(shù)研究. 制造業(yè)自動化,