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容。關鍵詞：無定形聚合物 結晶聚合物 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）溫度范圍進行大幅度拉伸而形成的薄膜。 拉幅薄膜的生產，可以將擠出原片（或管坯）與拉幅過程直接聯(lián)系起來進行連續(xù)的生產，不一定將生產厚片或管坯與拉幅工序分為兩個單獨的過程來進行。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。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械性能發(fā)生了變化出現(xiàn)各向異性強度增加。 分子鏈取向后，聚合物的物理機械性能發(fā)生了變化，產生了各向異性現(xiàn)象；拉幅薄膜就是大分子具有取向結構的一種材料。與未拉伸薄膜比較，拉幅薄膜有以下特點：（1）強度為未拉伸薄膜的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，使用范圍擴大。拉伸時如只由一個方向進行的稱單軸拉伸，此時材料

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）進行的拉伸稱雙軸拉伸，此時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，因而可能達到的抗張強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，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 縱橫同時拉伸 泡管法 管膜法雙向同時拉伸 平板式拉伸

4、法管膜法是以雙向拉伸為其特點，工藝裝置和過程與吹塑薄膜的成型相似。由于產品質量較差，主要用于生產熱收縮性薄膜。平膜法雖然生產設備復雜，但薄膜質量較好，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，應用最為廣泛，主要用于生產高強度薄膜。用于生產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：工藝對產品性能的影響：無定形的聚合物和結晶聚合物在拉幅工藝上存在著差別，關鍵是要通過適當?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構。（1） 未取向的無定形薄膜

5、沒有多大的實用價值。（2） 結晶而未取向的的薄膜脆性答，透明性差，同樣使用價值不高。（3） 取向但不結晶或結晶不足的薄膜，多熱收縮十分敏感，使用范圍受到限制。（4） 結晶適當（并且有微晶結構）而又取向的薄膜，不僅抗張強度和模量高，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中形成適度結晶與取向結構的要求。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?？刂评鞙囟仍赥g-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，適當增大拉力和對位拉伸的薄膜進行張

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，于恒溫下進行拉伸。有時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一步提高）。拉伸程度達到要求后，薄膜進入張緊輪上，在不允許收縮的情況下進行短時間的熱處理（熱定型），使薄膜中回復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生松弛，而不希望發(fā)生整個分子取向結構的破壞。2.結晶聚合物的工藝流程：驟冷，降溫至Tg以下，減少聚合物的結晶程度胚料加熱到Tm熔融，破壞結晶結構加熱到Tg溫度以上，快

7、速拉伸取向薄膜在0.85Tm溫度處短時間退火冷卻后，得到微晶結構均勻的拉幅薄膜產品驟冷降溫到Tg以下，保持取向結構對結晶聚合物，主要由以下兩個原因而不希望在結晶狀態(tài)下進行拉伸取向：（1） 在在結晶狀態(tài)取向需要更大的拉力，容易使薄膜在拉伸中破裂；（2） 結晶區(qū)域比非結晶區(qū)域取向速度快，以致在結晶狀態(tài)拉伸時，薄膜取向度很不均勻。所以，拉伸前通常將結晶聚合物加熱到Tm以上一段時間，然后在擠成厚片時進行驟冷（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（使結晶不易生長），并進行快速拉伸，達到所需取向后迅速驟冷至Tg以下，可以防止薄

8、膜在拉伸中生長結晶。形成的薄膜再于最大結晶速率溫度（通常約0.85Tm）下進行短時間熱處理和冷卻，薄膜中即很快地形成均勻分布的微晶結構。這種薄膜具有較高的強度、尺寸穩(wěn)定、熱收縮小和透明性好的特點。（1） 平膜法逐步拉伸薄膜的成型 目前用的最多的是先進行縱向拉伸，后進行橫向拉伸的方法，但有資料認為先橫后縱的方法能指的厚度均勻的雙軸拉伸薄膜。 縱拉伸有多點拉伸和單點拉伸。如果加熱到類橡膠態(tài)的厚片是由兩個不同轉速的輥拉伸時稱單點拉伸，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速的輥筒來完成時稱多點拉伸，這是這些輥筒的轉速是依次遞增的，其總拉伸比是最后一個拉伸輥

9、（或冷卻輥）的轉速與第一個拉伸輥（或預熱輥）的轉速之比。多點拉伸具有拉伸均勻，拉伸程度大，不易產生細頸現(xiàn)象（薄膜兩邊變厚而中間變?。┑葍?yōu)點，實際應用比較多。大多數(shù)情況下是直接由擠出機通過縫隙機頭（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，然后送入到預熱輥加熱到拉伸溫度，隨后進入縱向拉伸機的拉伸輥群進行縱向拉伸，達到預定縱拉伸比的材料，或冷卻或直接送入橫向拉伸機（拉幅機）。拉幅機分為預熱段、拉伸段、熱定型段和冷卻段。拉伸段由拉幅機組成，拉幅機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轉，固定在鏈條上的夾具可

10、夾住薄膜兩邊，在沿軌道運行中對薄膜產生強制橫向拉伸作用。達預定橫向拉伸比后夾具松開，薄膜進入熱定型區(qū)進行熱處理，最后冷卻、切邊和卷繞而得到產品。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 2-厚片冷卻輥 3-預熱輥 4-多點拉伸輥 5-冷卻輥 6-橫向拉伸（拉幅）機夾子 7-加熱裝置 8-加熱裝置 9-風冷裝置 10-切邊裝置 11-測厚裝置 12-卷繞機 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，管坯通常由擠出機將熔融塑料經管型機頭擠出成型；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，經第一對夾輥折疊后進入拉伸區(qū)，在此處管坯由機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）。由于泡管同時受到下端夾輥的牽伸作用。因而在橫向拉伸的同時也產生縱向拉伸，調節(jié)壓縮空氣的進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_到接近于平衡的拉伸。拉伸后的泡管經過第二對夾輥再次折疊后，進入熱處理區(qū)域，再繼續(xù)保持壓力，亦即使管膜在張緊力存在下進行熱處理定型，最后經空氣冷卻、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。聚合物分子的取向為一松弛現(xiàn)象，在同樣的取向條件下，聚合物分子中松弛時間短的部分能較早的取向，而松弛時間長的部分，取向較晚。1. 拉伸溫度：松弛時間隨溫度升高而減少，所以升高溫度有利于分子取向，并能降低達到一定取向所需的拉應力(圖7-18）；但溫度過高時，解取向也加快。因此不適當?shù)厣邷囟?，甚至會使薄膜強度降低過甚而在拉伸中斷裂，故取向溫度應適當，一般控制在Tg-Tf

13、 （Tm）間。根據(jù)這一原因，薄膜取向后必須進行快速冷卻，否則長時間的高溫作用會使薄膜中取向結構消失或減小。2. 拉伸速度：由于松弛過程需要時間，因此拉伸時，大分子形變取向的松弛過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，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；同時在同樣的拉伸溫度下，拉應力應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，再橫拉伸時就要大大地提高拉伸倍數(shù)，所以縱拉伸倍數(shù)不宜過大。縱拉伸一般較容易

14、實現(xiàn)和控制，橫拉伸則困難得多，并且工藝上難以調整和控制，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，通常縱、橫拉伸大都在3-4被范圍內，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拉伸的方法，但均比先縱后橫拉伸的工藝復雜，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?？刂圃赥g附近，結晶聚合物則需控制在最大結晶速率的溫度下。對結晶聚合物而言，薄膜中微晶的形成能使取向結構保存下來，使薄膜的熱收縮可以降低到最小程度，因此薄膜熱

15、定型過程實際上是聚合物結晶的過程。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)律可歸結如下：（1） 拉伸速度與拉伸倍數(shù)一定時，拉伸溫度越低，（但應以拉伸效果為準，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，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，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，拉伸比隨拉應力而增加時，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：1.郭亮亮, 拉伸薄膜生產線技術研究. 制造業(yè)自動化,