拉幅薄膜成型综述

1、拉幅薄膜的成型工艺综述1 摘要：综述了拉幅薄膜成型的概念，取向原理和方法，并阐述了拉幅薄膜成型工艺的影响因素等几方面的内容。关键词：无定形聚合物 结晶聚合物 拉伸 取向 薄膜 热定型 冷却1 拉幅薄膜成型的概念： 拉幅薄膜成型是在挤出成型的的基础上发展起来的一种塑料薄膜的成型方法。它是将挤出得到的厚度为1-3毫米的厚片或管坯，重新加热到Tg-Tm（或Tf）温度范围进行大幅度拉伸而形成的薄膜。 拉幅薄膜的生产，可以将挤出原片（或管坯）与拉幅过程直接联系起来进行连续的生产，不一定将生产厚片或管坯与拉幅工序分为两个单独的过程来进行。但不管哪种方式，聚合物在拉伸前都必须从较低温度下重新加热到Tg-Tm

2、（或Tf）间的加工温度，所以拉幅薄膜是一种二次成型技术。2 薄膜的取向原理： 拉幅成型使聚合物长链在Tg-Tm（或Tf）温度区间受到外力作用沿拉伸作用力的方向伸长和取向，取向后聚合物的物理机械性能发生了变化出现各向异性强度增加。 分子链取向后，聚合物的物理机械性能发生了变化，产生了各向异性现象；拉幅薄膜就是大分子具有取向结构的一种材料。与未拉伸薄膜比较，拉幅薄膜有以下特点：（1）强度为未拉伸薄膜的3-5倍，透明度和表面光泽好，对气体和水蒸气的渗透性降低，制品使用的价值高；（2）薄膜厚度减小，宽度增大，成本降低；（3）耐热、耐寒性改善，使用范围扩大。拉伸时如只由一个方向进行的称单轴拉伸，此时材料

3、中的分子沿单轴取向；如由平面的两个不同方向（常相互垂直）进行的拉伸称双轴拉伸，此时材料中的分子沿双轴取向。单轴取向在合成纤维中的带普遍应用，但单轴取向的薄膜，因容易按平行于拉伸的方向撕裂，故应用面窄。双轴取向中聚合物的分子链平行于薄膜的表面，相互之间并不像在单轴取向的纤维中那样平行排列，因而可能达到的抗张强度虽大于未取向薄膜，但却不如取向的纤维那样大。3 薄膜拉伸取向方法：薄膜的拉伸取向方法主要分为平膜法（即拉膜法）和管膜法，两种方法又有不同的拉伸技术，可分为： 单向拉伸 先纵后横拉伸 平膜法 逐次拉伸 双向拉伸 先横后纵拉伸 薄膜拉伸取向 纵横同时拉伸 泡管法 管膜法双向同时拉伸 平板式拉伸

4、法管膜法是以双向拉伸为其特点，工艺装置和过程与吹塑薄膜的成型相似。由于产品质量较差，主要用于生产热收缩性薄膜。平膜法虽然生产设备复杂，但薄膜质量较好，目前工业采用较多，尤其以逐步拉伸平膜法工艺控制较容易，应用最为广泛，主要用于生产高强度薄膜。用于生产拉幅薄膜的聚合物的种类很多，主要有聚对苯二甲酸乙二醇酯（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 拉幅薄膜成型工艺：工艺对产品性能的影响：无定形的聚合物和结晶聚合物在拉幅工艺上存在着差别，关键是要通过适当的方法和工艺条件，使薄膜中的聚合物分子链能形成取向结构。（1） 未取向的无定形薄膜

5、没有多大的实用价值。（2） 结晶而未取向的的薄膜脆性答，透明性差，同样使用价值不高。（3） 取向但不结晶或结晶不足的薄膜，多热收缩十分敏感，使用范围受到限制。（4） 结晶适当（并且有微晶结构）而又取向的薄膜，不仅抗张强度和模量高，而且透明性好，尺寸稳定，热收缩小，具有良好的使用性能。因此工艺方法和条件，都必须满足薄膜生产中形成适度结晶与取向结构的要求。1. 无定形聚合物拉幅工艺流程： 冷却张紧热定型 恒温拉伸 胚料控制温度在Tg-Tm间 对无定形聚合物，通常控制拉伸温度在Tg-Tf 间，聚合物处在粘弹态；由于拉伸中包含高弹态形变，为使有效拉伸（即取向度）增加，适当增大拉力和对位拉伸的薄膜进行张

6、紧热定型就非常必要。通常是将挤出的厚片或管坯加热到Tg以上的温度，于恒温下进行拉伸。有时为了提高薄膜的取向程度，使加热温度沿拉伸方向形成一定温度梯度(材料的弹性模量随温度的上升而降低，温度逐渐升高有利于薄膜拉伸程度的进一步提高）。拉伸程度达到要求后，薄膜进入张紧轮上，在不允许收缩的情况下进行短时间的热处理（热定型），使薄膜中回复的高弹形变得到松弛，冷却后即得热收缩率小的拉幅薄膜。热处理温度通常在Tg-Tf 间，即只允许大分子链段产生松弛，而不希望发生整个分子取向结构的破坏。2.结晶聚合物的工艺流程：骤冷，降温至Tg以下，减少聚合物的结晶程度胚料加热到Tm熔融，破坏结晶结构加热到Tg温度以上，快

7、速拉伸取向薄膜在0.85Tm温度处短时间退火冷却后，得到微晶结构均匀的拉幅薄膜产品骤冷降温到Tg以下，保持取向结构对结晶聚合物，主要由以下两个原因而不希望在结晶状态下进行拉伸取向：（1） 在在结晶状态取向需要更大的拉力，容易使薄膜在拉伸中破裂；（2） 结晶区域比非结晶区域取向速度快，以致在结晶状态拉伸时，薄膜取向度很不均匀。所以，拉伸前通常将结晶聚合物加热到Tm以上一段时间，然后在挤成厚片时进行骤冷（最好使厚片温度迅速冷却到Tg以下），使聚合物基本上保持没有明显结晶区域的状态；拉伸前再将厚片加热到稍高于Tg以上温度（使结晶不易生长），并进行快速拉伸，达到所需取向后迅速骤冷至Tg以下，可以防止薄

8、膜在拉伸中生长结晶。形成的薄膜再于最大结晶速率温度（通常约0.85Tm）下进行短时间热处理和冷却，薄膜中即很快地形成均匀分布的微晶结构。这种薄膜具有较高的强度、尺寸稳定、热收缩小和透明性好的特点。（1） 平膜法逐步拉伸薄膜的成型 目前用的最多的是先进行纵向拉伸，后进行横向拉伸的方法，但有资料认为先横后纵的方法能指的厚度均匀的双轴拉伸薄膜。 纵拉伸有多点拉伸和单点拉伸。如果加热到类橡胶态的厚片是由两个不同转速的辊拉伸时称单点拉伸，两辊筒表面的线速度之比就是拉伸比，常常在3-9之间；如果拉伸比是分配澡若干个不同转速的辊筒来完成时称多点拉伸，这是这些辊筒的转速是依次递增的，其总拉伸比是最后一个拉伸辊

9、（或冷却辊）的转速与第一个拉伸辊（或预热辊）的转速之比。多点拉伸具有拉伸均匀，拉伸程度大，不易产生细颈现象（薄膜两边变厚而中间变薄）等优点，实际应用比较多。大多数情况下是直接由挤出机通过缝隙机头（如T型口模等）挤成厚片，其厚度根据欲拉制薄膜的厚度和拉伸比确定。熔融的厚片在冷却辊上硬化并冷却到加工温度以下，然后送入到预热辊加热到拉伸温度，随后进入纵向拉伸机的拉伸辊群进行纵向拉伸，达到预定纵拉伸比的材料，或冷却或直接送入横向拉伸机（拉幅机）。拉幅机分为预热段、拉伸段、热定型段和冷却段。拉伸段由拉幅机组成，拉幅机有两条张开呈一定角度的轨道，其上固定有链轮，链条可绕链轮沿轨道运转，固定在链条上的夹具可

10、夹住薄膜两边，在沿轨道运行中对薄膜产生强制横向拉伸作用。达预定横向拉伸比后夹具松开，薄膜进入热定型区进行热处理，最后冷却、切边和卷绕而得到产品。其典型的工艺过程如下图所示： 逐步拉伸平膜法拉幅薄膜的成型工艺过程示意图1-挤出机 2-厚片冷却辊 3-预热辊 4-多点拉伸辊 5-冷却辊 6-横向拉伸（拉幅）机夹子 7-加热装置 8-加热装置 9-风冷装置 10-切边装置 11-测厚装置 12-卷绕机 聚合物的种类不同拉伸温度也不相同。（2） 管膜法拉幅薄膜的成型 管膜法拉幅薄膜成型工艺可分为管坯成型、拉伸和热定型三个阶段，管坯通常由挤出机将熔融塑料经管型机头挤出成型；并立刻被冷却夹套的水冷却。冷却

11、的管坯控制其温度在Tg-Tf （Tm）间，经第一对夹辊折叠后进入拉伸区，在此处管坯由机头和探管通入的压缩空气吹胀，管坯受到横向拉伸并胀大成管形薄膜（称泡管）。由于泡管同时受到下端夹辊的牵伸作用。因而在横向拉伸的同时也产生纵向拉伸，调节压缩空气的进入量和压力以及牵引速度，就可以控制纵横两向的拉伸比；此法通常可以达到接近于平衡的拉伸。拉伸后的泡管经过第二对夹辊再次折叠后，进入热处理区域，再继续保持压力，亦即使管膜在张紧力存在下进行热处理定型，最后经空气冷却、折叠、切边后，成品用卷绕装置卷取。拉伸和热处理过程的加热通常采用红外线。此法设备简单、占地面积小，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艺过程如下图所示： 5 拉幅薄膜成型过程中的影响因素：拉伸过程中影响聚合物的取向的主要因素为拉伸温度、拉伸速度、纵横各向的拉伸倍数、拉伸方式（一次或多次）、热定型条件、冷却速度等。聚合物分子的取向为一松弛现象，在同样的取向条件下，聚合物分子中松弛时间短的部分能较早的取向，而松弛时间长的部分，取向较晚。1. 拉伸温度：松弛时间随温度升高而减少，所以升高温度有利于分子取向，并能降低达到一定取向所需的拉应力(图7-18）；但温度过高时，解取向也加快。因此不适当地升高温度，甚至会使薄膜强度降低过甚而在拉伸中断裂，故取向温度应适当，一般控制在Tg-Tf

13、 （Tm）间。根据这一原因，薄膜取向后必须进行快速冷却，否则长时间的高温作用会使薄膜中取向结构消失或减小。2. 拉伸速度：由于松弛过程需要时间，因此拉伸时，大分子形变取向的松弛过程落后于拉伸速度的变化，如果拉伸速度过大，在较低延伸时，薄膜就可能在拉伸中破裂。所以薄膜的延伸率和取向度是随拉伸速度增大而减小的，从图7-19可看出；同时在同样的拉伸温度下，拉应力应随拉伸速度减小而降低（图7-18）3. 拉伸倍数： 薄膜中的取向度随拉伸倍数而增加。在通常的先纵后横的拉伸工艺中，如果拉伸倍数过大，薄膜中先形成了较高程度的单轴取向，再横拉伸时就要大大地提高拉伸倍数，所以纵拉伸倍数不宜过大。纵拉伸一般较容易

14、实现和控制，横拉伸则困难得多，并且工艺上难以调整和控制，所以多采用较低的纵拉伸倍数。为了使薄膜在各个方向都有较为均衡的性能，通常纵、横拉伸大都在3-4被范围内，但拉伸倍数的确定还要根据对薄膜性能的要求来决定。拉伸方式2 3： 由于先纵后横两步拉伸薄膜的取向度不能很好地控制，因此也有采用先横后纵两步拉伸、纵-横-纵三次拉伸以及纵横同时拉伸的方法，但均比先纵后横拉伸的工艺复杂，故一先纵后横拉伸为主。热定型条件4： 对无定形聚合物热定型温度通常控制在Tg附近，结晶聚合物则需控制在最大结晶速率的温度下。对结晶聚合物而言，薄膜中微晶的形成能使取向结构保存下来，使薄膜的热收缩可以降低到最小程度，因此薄膜热

15、定型过程实际上是聚合物结晶的过程。为防止薄膜中聚合物分子主链在热定型中发生解取向，同时又有利于链段得到松弛，取向薄膜的热定型必须在连续张紧的条件下进行，一般热定型中薄膜纵横方向都会有少量收缩。热塑性聚合物拉伸取向的一般规律可归结如下：（1） 拉伸速度与拉伸倍数一定时，拉伸温度越低，（但应以拉伸效果为准，一般高于Tg）则取向作用较大；（2） 在拉伸温度和拉伸速度一定时，取向度随拉伸倍数增大而提高；（3） 在任何拉伸条件下，冷却速度愈快，有效取向愈高；（4） 在拉伸温度与拉伸倍数一定时，拉伸速度愈大则取向作用愈大；（5） 在固定的拉伸温度和速率下，拉伸比随拉应力而增加时，薄膜取向度提高；（6） 拉伸速度随温度升高而加快，在有效的冷却条件下有效取向程度提高。 参考文献：1.郭亮亮, 拉伸薄膜生产线技术研究. 制造业自动化,