双向拉伸薄膜技术及应用

"双向拉伸”是近年来颇受关注的塑料薄膜成型方法之一，采用双向拉伸技术可以显著提高薄膜的机械性能、阻隔性能、光学性能、热性能及厚度均匀性等，可满足多种应用领域的生产要求。 塑料薄膜已经发展成为我国产量最大、品种最多的塑料制品之一，广泛应用于包装、电子电器、农业、建筑装饰及日用品等领域，其产量约占塑料制品总产量的20%。从应用领域来看，塑料薄膜使用最广的是包装工业，其次是农用塑料薄膜，其余用作电工材料、感光材料等。除传统的PE、PVC、PS外，BOPET（双向拉伸聚酯）、BOPP（双向拉伸聚丙烯）、BOPA（双向拉伸尼龙）是近几年迅速发展起来的新型薄膜材料。 塑料薄膜的成型方法很多，如压延法、流延法、吹塑法、拉伸法等。其中，双向拉伸成为近年来颇受关注的方法之一。 采用双向拉伸技术生产的塑料薄膜具有以下特点：与未拉伸薄膜相比，机械性能显著提高，拉伸强度是未拉伸薄膜的3～5倍；阻隔性能提高，对气体和水汽的渗透性降低；光学性能、透明度、表面光泽度提高；耐热性、耐寒性能得到改善，尺寸稳定性好；厚度均匀性好，厚度偏差小；实现高自动化程度和高速生产。 适用于双向拉伸生产的塑料薄膜主要包括聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯和聚酰亚胺薄膜等。 基本原理 塑料薄膜双向拉伸技术的基本原理为：高聚物原料通过挤出机被加热熔融挤出成厚片后，在玻璃化温度以上、熔点以下的适当温度范围内（高弹态下），通过纵拉机与横拉机时在外力作用下，先后沿纵向和横向进行一定倍数的拉伸，从而使分子链或结晶面在平行于薄膜平面的方向上进行取向而有序排列，然后在拉紧状态下进行热定型，使取向的大分子结构固定，最后经冷却及后续处理便可制得薄膜。 生产设备与工艺 双向拉伸薄膜生产线是由多种设备组成的连续生产线，包括：干燥塔、挤出机、铸片机、纵向拉伸机、横向拉伸机、牵引收卷机等。其生产流程较长，工艺也比较复杂。 以BOPET薄膜为例，将主要设备与工艺简述如下： 1、配料与混合 普通BOPET薄膜所使用的原料主要是母料切片和有光切片。母料切片是指含有添加剂的PET切片，添加剂有二氧化硅、碳酸钙、硫酸钡、高岭土等，根据薄膜的不同用途来选用相应的母料切片。聚酯薄膜一般采用一定量的含硅母料切片与有光切片配用，其作用是通过二氧化硅微粒在薄膜中的分布，增加薄膜表面微观上的粗糙度，使收卷时薄膜之间容纳有极少量的空气，从而防止薄膜粘连。有光切片与一定比例的母料切片通过计量混合机进行混合后进入下工序。 2、结晶和干燥 对于有吸湿倾向的高聚物（例如PET、PA、PC等），在进行双向拉伸之前，须先进行预结晶和干燥处理。这样做的目的是：提高聚合物的软化点，避免其在干燥和熔融挤出过程中树脂粒子互相粘连或结块；去除树脂中的水分，防止含有酯基的聚合物在熔融挤出过程中发生水解或产生气泡。 PET的预结晶和干燥设备一般采用带有结晶床的填充塔，同时配有干空气制备装置，包括空压机、分子筛去湿器、加热器等。预结晶和干燥温度为150℃～170℃，干燥时间约3.5～4h，干燥后的PET切片湿含量要求控制在30～50ppm。 3、 熔融挤出 ● 挤出机。经过结晶和干燥处理后的PET切片进入单螺杆挤出机进行加热熔融塑化。为了保证PET切片良好的塑化质量和稳定的挤出熔体压力，螺杆的结构设计非常重要。除对长径比、压缩比、各功能段均有一定要求外，还特别要求是Barrier型螺杆，这种结构的螺杆有利于保证挤出物料的良好塑化、挤出机出口物料温度的均匀一致、挤出机的稳定出料和良好排气，并有利于提高挤出能力。 若挤出量不是太大，推荐选用排气式双螺杆挤出机。这种挤出机有两个排气口与两个抽真空系统相连接，具有很好的抽排气、除湿功能，可将物料中所含的水分和低聚物抽走，因而可以省去一套复杂的预结晶/干燥系统，节省投资并降低运行成本。挤出机温度设定从加料口到机头约为210℃～280℃。 ● 熔体计量泵。熔体计量是通过高精度的齿轮泵来实现的。计量泵的作用是保证向模头提供的熔体具有足够而稳定的压力，以克服熔体通过过滤器时的阻力，保持薄膜厚度的均匀性。熔体计量泵通常采用斜的二齿轮，泵的加热温度控制在270℃～280℃。 ● 熔体过滤器。为了去除熔体中可能存在的杂质、凝胶粒子、鱼眼等异物，常在熔体管线上计量泵的前后各安装一个过滤器。BOPET薄膜生产线通常采用碟状过滤器，其材料为不锈钢网与不锈钢烧结毡组合而成。不锈钢碟片的尺寸为φ12in（1in=25.4mm），过滤网孔径一般在20～30μm，过滤器加热温度控制在275℃～285℃。 ● 熔体管。熔体管的作用是将挤出机、计量泵、过滤器等与模头连接起来，以让熔体从中通过。熔体管内壁要求非常光洁且无死角，熔体管串连起来的长度尽量短一些，以免熔体在其中滞流，停留时间过长而产生降解。 来自挤出机的熔体被挤入到熔体管后，分别流经粗过滤器、计量泵、精过滤器后进入模头。如果是三层共挤生产线，在模头上方还配置一个熔体分配器。 过滤器、计量泵和熔体管等可以用电加热，也可用导热油夹套加热。熔体管加热温度控制在275℃～285℃。 ● 静态混合器。熔体流过熔体管时，沿着管壁的熔体温度与熔体中心的温度有较大的温差。为使进入模头的熔体温度均匀一致，以保证模头出料均匀，须在熔体管连接模头一端的内部安装若干组静态混合器，熔体流过静态混合器时，会自动产生分-合-分-合的混和作用，从而达到均化熔体温度的目的。 4、铸片系统 ● 模头。模头是流延铸片的关键模具，直接决定铸片的外形和厚度均匀性。BOPET常采用衣架型模头，模头开度通过若干个带有加热线圈的推/拉式差动螺栓进行初调，并通过在线测厚仪的自动测厚、反馈给模头的加热螺栓进行模唇开度的微调。模头温度控制在275℃～280℃。 ● 急冷辊（铸片辊、俗称冷鼓）。从模头流出呈粘流态的PET熔体在匀速转动的急冷辊上被快速冷却至其玻璃化温度以下，形成厚度均匀的玻璃态铸片。急冷的目的是使厚片形成无定型结构，尽量减少其结晶，以免对下道拉伸工序产生不良影响。为此，要求铸片辊表面温度均匀，冷却效果好。同时要求急冷辊转速均匀而稳定。另外，铸片辊内通30℃左右的冷却水，以保证将铸片冷却至50℃以下。 ● 静电吸附装置。静电吸附装置的作用是使铸片与急冷辊紧密接触，防止急冷辊快速转动时卷入空气，以保证传热/冷却效果。 静电吸附装置由金属丝电极、高压发生器及电极收放力矩电机等组成。其工作原理是：利用高压发生器产生的数千伏直流电压，使电极丝、铸片辊分别变成负极和正极（铸片辊接地），铸片在此高压静电场中因静电感应而带上与铸片辊极性相反的静电荷，在异性相吸的作用下，铸片与急冷辊表面紧密吸附在一起，达到排除空气和良好传热的目的。 5、 纵向拉伸（MDO） 将来自铸片机的厚片在纵向拉伸机组中加热到高弹态下进行一定倍数的纵向拉伸。纵向拉伸机由预热辊、拉伸辊、冷却辊、张力辊和橡胶压辊、红外加热管、加热机组以及驱动装置等组成。纵向拉伸通常为单点拉伸，也有多点拉伸，如两点或三点拉伸。纵拉比是通过慢拉辊与快拉辊之间的速度差而产生的，一般为3.3～4倍。 6、 横向拉伸（TDO） 横向拉伸机由烘箱、链夹和导轨、静压箱、链条张紧器、导轨宽度调节装置、开闭夹器、热风循环系统、润滑系统及EPC等组成。其作用是将经过纵向拉伸的薄膜在横拉机内分别通过预热、拉幅、热定型和冷却而完成薄膜的横向拉伸。横拉比为3.5～4倍。 7、 牵引收卷与分切 本工序由若干个牵引导向辊、冷却辊、展平辊、张力辊、跟踪辊、切边装置、测厚仪及电晕处理机等组成。经过双向拉伸的薄膜通过切边、测厚、电晕处理后便可进行收卷和分切，经检验合格后即是成品。 BOPET薄膜的主要应用 1、包装材料 ● 印刷复合膜 。为了增强包装效果和阻隔性能，实现性能互补并适应封口需要，常采用印刷复合膜作为包装材料。复合方法包括干法复合、湿法复合、挤出复合、共挤出复合等。 ● 真空镀铝膜。真空镀铝膜是采用特殊工艺在BOPET薄膜表面蒸镀上一层极薄的金属铝而制成，从而使薄膜表面具有金属光泽，并大大提高了其阻隔性。因此，真空镀铝膜已被广泛地应用于食品、医药、工业产品的包装。 ● 电化铝烫印（烫金）。电化铝烫印是一种不使用油墨的特种印刷工艺，借助一定的压力与温度，应用于装在烫印机上的模版，使印刷品和烫印箔在短时间内相互受压，将金属箔或颜料按烫印模版的图文转印到被烫印到制品表面，俗称烫金。在这里，塑料薄膜（烫金膜）仅作为载体。 ● 转移膜。真空镀铝卡纸是近年来发展起来的一种新颖的高级包装材料。这种纸色泽光亮，金属感强，印品亮丽高雅，可以代替印刷品的大面积烫金，可以起到美化商品的作用。由于采用真空镀铝的方法，在卡纸表面仅覆盖一层紧密光亮的、厚度为0.25～0.3μm薄铝层，仅是裱铝卡纸铝箔层厚度的1/500，既有高贵美观的金属质感，又具有可降解、回收的环保属性，是一种绿色包装材料。 真空镀铝卡纸通常采用转移法生产，就是将BOPET置于真空镀铝机镀铝后，进行涂胶与纸复合，再将BOPET薄膜剥离，铝分子层通过胶粘作用便转移到纸板表面上。BOPET薄膜在这里也起铝箔转移的作用，且可多次使用，故称转移膜。 ● 激光全息防伪膜。激光全息防伪膜是在BOPET薄膜面压印上可激光显示的图案标识后镀铝而制成的，主要用于防伪。例如，国际知名的银行信用卡、政府部门颁发的各类许可证、身份证、驾驶证、护照、海关单据、国际知名品牌服装、电器等物品上都能发现全息防伪标识。 ● 护卡膜。护卡膜以BOPET薄膜为基材，在其上挤出涂布一层可热封的热熔胶