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高分子材料流延膜的特点及生产工艺


流延膜、吹胀膜及双向拉伸膜的特点及生产工艺

2010-10-31 09:46
一、 流延膜 所有的热塑性塑料薄膜的性能,不仅同使用的塑料原材料粒子有密切的关系, 还同薄膜的生产工艺及工艺参数有关。同一种塑料制品,例如:薄膜可以用不同的生产工艺 流程来生产,即使用同一种材料同一种生产工艺,由于生产时的温度、压力、吹胀比等工艺 参数的不同,所得薄膜的性能也有所差别。 流延(Cast)法生产的薄膜称流延膜,用 C 作字 头,如:流延聚丙烯薄膜,称 CPP 膜。流延法薄膜有挤出流延膜和溶剂流延膜两种。 1、 溶 剂流延法 溶剂流延法生产的薄膜具有更薄且厚度均匀性更好的优点,1~3um 的超薄膜只在 某些高科技材料中使用,一般在包装材料中不采用,因为设备投资大,溶剂毒性大,而且需 使用大量溶剂, 溶剂回收设备及操作费用均较大, 只有像玻璃纸等极少数不能或很难用挤出 法生产的薄膜才使用溶剂法生产。 溶剂法生产的流延膜工艺是:把热塑性塑料的溶液或使 用热固性塑料的预聚体溶胶涂布在可剥离的载体上, 经过一个烘道的加热干燥, 进而熔融塑 化成膜层冷却下来后,从载体离型面上剥离下来卷取而成膜。载体可以是钢带、涂布硅橡胶 的离型纸或辊筒。 美国一些需要超薄且厚度平整性特别优良的薄膜是把溶胶流延在一个加热 的水银池上面,经挥发去除溶剂成膜后,从水银面上捞起薄膜卷取而成。 溶剂流延膜有以 下几个特点: (1) 薄膜的厚度可以很小,一般在 5-8UM,使用水银为载体的薄膜,称为 分子膜,其厚度可以低至 3UM 厚。(2) 薄膜的透明度高、内应力小,多数用于光学性能要 求很高的场合下,例如:电影胶卷、安全玻璃的中间夹层膜等。 (3) 薄膜厚度的均匀性好, 不易掺混入杂质,薄膜质量好。(4) 溶剂流延膜由于没有受到充分的塑化挤压,分子间距 离大,结构比较疏松,薄膜的强度较低。(5) 生产成本高,能耗大、溶剂用量大,生产速 度低。 溶剂流延法生产的薄膜有三醋酸纤维素酯、聚乙烯醇、氯醋树脂等。此外,聚四氟 乙烯和 PC 也常用溶剂流延法生产薄膜。热固性的合成胶液也常用于生产高耐热性的薄膜。 流延三醋酸纤维素酯薄膜生产用胶液的配方如下:三醋酸纤维互酯 100 份(质量份),混合 溶剂(三氯甲烷 90%体积,10%的甲醇)700 份(质量份),增塑剂三苯基磷酸酯 20 份(质 量份)。 2、 挤出流延薄膜 以 CPP 挤出流延薄膜的生产工艺流程为例,使用耐寒级共聚丙 烯 CPP 粒子作流延膜的原料,MFR 为 6~9g/10min(例如:日本窒素工业公司的 F8277 就是耐 寒级 PP),挤出机挤出——T 型口模流延——气刀——1#冷却辊——2 冷却辊——电晕处理 ——切废边——卷取。 挤出机螺杆直径 65mm, L/D=32, 普通渐变型螺杆。 机筒温度: 210℃、 230℃、240℃、255℃、265℃共 5 段,连接器温度 265℃,树脂温度 230~237℃,T 型口模 温度(共 2m 宽)均为 265℃。1#冷却辊使用自来水经冷却器热交换器冷却到 0~-5℃后进入, 2#冷却器冷却水温为 8~10℃。T 型口模使用螺栓人工调节流延膜厚度,应当指出的是,目前 国内进口先进的流延膜生产线均采用 R 射线测厚仪 (走查式) 能自动测厚显示记录并反馈到 T 型口模上的热膨胀螺丝上,从而自动调控 T 型口模间隙,可以使流延膜厚度的平均误差在 2%以内。人工调节螺丝调节,只能在 10%以内(1m 宽度)。 气刀和气隙在挤出流延薄膜中 有重要的作用,气刀是安装在 T 型口模下方的一条狭长的缝口,由此喷出压缩空气,使由 T 型口模流延出来的熔体薄膜能紧贴在 1#冷却辊上,提高了冷却效果,且能使塑料薄膜表面 平整度提高,减少流延膜二端产生的缩颈现象。 气隙是熔体塑料膜离开 T 型口模到达 1#冷 却辊表面之间的距离, 气隙愈长则薄膜在熔融高温下同空气接触的时间愈长, 薄膜表面气化 就愈大,而且气隙愈大,薄膜二端因冷却而产生的缩颈现象就愈厉害,薄膜平整度愈差。一 般讲来,气隙愈小,引膜困难愈大,合适的气隙距离为 2.0cm 左右。气隙小,表面氧化少, 有利于薄膜的热封性的提高,但不利于薄膜粘结力的提高。 CPP 薄膜的性能:厚度 20-30um 雾度 5.5%~6% 拉伸强度, 纵/横≧40/20MPa 断裂伸长率, 纵/横≧400%/500% 直角撕裂强度, 纵/横≧100kgf/cm/140kgf/cm 表面张力≧42×10-3N/m 挤出流延法薄膜的特点是: (1)生 产速度比吹胀法高,可以高达 60~80m/min,最近从国外引进的挤出流延膜生产线,可高达

150~200m/min,而吹胀法由于受到泡膜冷却速度的限制,一般仅 30~60m/min,挤出流延工艺 中冷却辊辊温可在 0~-5℃,直接紧贴在辊筒上,冷却效果好。(2) 挤出流延法生产的薄 膜透明性比吹胀法好, 无论是 PE 或 PP 均可以用挤出流延法生产出透明性良好的薄膜, 而吹 胀法风冷却时,PP 不能有良好的透明性,要得到良好透明性,必须使用水冷却法。 (3) 挤 出流延法薄膜的厚度均匀性比吹胀法好。 (4) 挤出流延膜的纵横向性能是均衡的,而吹胀 法薄膜的纵横向性能由于牵引辊速度和吹胀比的不同而不同。 原则上, 挤出流延法生产的薄 膜是由一个辊筒传递给另一个辊筒, 不应当存在卷取或牵引的拉力, 因而挤出流延膜无论纵 向或横向都不受到拉伸, 性能是均衡的。 (5) 正因为挤出流延膜不受到任何方向上的拉伸, 其热封性能比吹胀膜好,而双向拉伸膜则没有热封性。挤出流延膜受热时的收缩性最小,有 利于热封制袋。 二、 吹胀膜 吹胀膜(inflation film)可以用英文 I 表示,例如:吹胀 法生产的聚丙烯薄膜,称为 IPP 膜。 1、 吹胀法生产薄膜的特点 (1) 吹胀膜同流延膜相 比较有较高的机械强度,横向的吹胀和牵引辊的快速牵引,是对塑料薄膜的一种双向拉伸, 因而力学性能比较大。 (2) 吹胀膜可以作热封材料,事实上大多数热封用膜是使用的吹胀 膜,但是其热封性不如流延膜。(3) 吹胀法生产的速度比流延法要低,薄膜厚度的均匀性 不如流延膜好。 2、 吹胀法薄膜生产工艺的比较 3、 吹胀膜生产中的注意点 (1)安定筒 安定筒是日本 placo 公司发明的,它是用毛毡包扎在一个不锈钢管上的倒圆锥形状的零件。 装在口模的芯棒上,用以吹入空气,熔体薄膜由安定筒上引出,安装安定筒可以起到稳定膜 泡,防止膜泡在空气中摇摆而影响薄膜表面质量;通过熔体膜泡在毡上拉出,无形中起到拉 伸作用,因此,可以提高吹胀膜的机械强度;实践证明,使用安定筒的吹胀膜厚度的均匀性 好。 (2)露点 露点是在膜泡上的一条透明与模糊的分界线,即:熔体塑料从液体进入固 体的熔点线,露点的高低对吹胀膜的性能有较大的影响:如果露点高,则吹胀是在液体状态 下完成的,生产出来的吹胀膜性能接近于流延膜。相反,露点线低,在膜泡下面未吹胀处, 也就是说,膜泡的吹胀是在固体高弹态下进行的,生产出来的吹胀膜性能更接近于定向膜, 热封性能变差。 可以使用调节风环中风量的大小来调节露点的高度。 (3)吹胀比和牵引 比 吹胀比是薄膜的直径同芯棒或环形口模直径之比,吹胀比愈大,薄膜的透明度和光泽性 愈好,机械强度更好,但是吹胀比太大,则膜泡过大,薄膜过薄,厚度不均匀性增大,薄膜 容易发皱,通常吹胀比在 2~3 为佳。吹胀比同薄膜的横向性能有关。 牵引比是熄泡辊的线 速度同挤出机挤出薄膜速度之比,这个比愈大,薄膜愈薄,纵向机械性能愈好,过高的牵引 比同吹胀比一样是不合适的,一般牵引比在 4~6 为佳。牵引比同吹胀比调节合适,所得到的 吹胀膜纵横向性能可望平衡,否则,纵横向性能是不平衡的,一般纵向性能大于横向性能。 (4) 二次吹胀工艺 日本窒素工业株式会社开发了一种叫二次吹胀工艺, 这种工艺是把经过 吹胀后熄泡后的塑料薄膜,经加热辊加热后,再次吹胀,然后冷却收卷。二次吹胀工艺可以 提高薄膜的开口性、提高薄膜的机械强度,生产出厚度更小的薄膜。而且薄膜厚度的均匀性 可以提高。 三、 双向拉伸薄膜 正如前述,双向拉伸薄膜常常作为软塑包装材料的面层或 中间层材料使用,这种材料要求有热封性,但要求有良好的粘结剂粘结牢度,起功能性和印 刷作用。 双向拉伸薄膜是通过对塑料薄膜的纵向和横向的机械拉伸而发生高聚物分子的定 向, 提高了高聚物分子的结晶度和结晶的细微化, 从而大大提高双向拉伸膜的机械强度和透 明度。一般来讲,聚合物结晶度提高,透明速会降低,但是,分子在拉伸过程结晶度提高的 同时,结晶颗粒细微化,细微的结晶颗粒不能阻挡光线的穿透性,为此,透明度也能提高。 分子定向丧失了热封性,为此,双向拉伸薄膜是不能热封的。 1. 双向拉伸工艺 双向拉伸 工艺有管膜法之分, 平膜法中又有逐级双向拉伸工艺和同步双向拉伸工艺之分。 管膜法的特 点是;(1) 设备投资较少,整条流水线的价格仅 50 万美元,而同时一条 4m 宽的 BOPP 逐 级双向拉伸的国产设备总投资达 1800 万人民币,合美元达 800 万美元。(2) 管膜法双向 拉伸工艺生产速度低, 20~30m/min,而平膜法可达 150~200m/min;管膜法生产的折径较小, 仅

仅 600~700mm,而平膜法可生产 4~6m 宽度的,进口的大型设备可生产 10m 宽度以上的双向 拉伸膜。(3) 管膜法生产的膜,厚度均匀性差,而平膜法厚度均匀性好。(4) 拉伸倍数 管膜法比较小,一般为 4~6;而平膜法可达 8~10 倍。(5) 管膜法只能生产厚度 20UM 以上 的膜,低于 20UM,易发生泡的破裂而中断生产,而平膜法可以生产 9~12UM 厚的薄膜。 2、 管膜法 BOPP 的工艺流程 3、 生产的工艺参数 以日本窒素工程株式会社生产的#65mm 挤出 机为例,L/D=28,主电机 22kw,无级变速,加热功率 16kw。使用日本窒素化学公司生产的 二种 PP 粒子,牌号为 F-5361 和 XF-2376,厚膜挤出机筒温度如下: 骤冷水由制冷机提供, 水温控制在 5~10℃,厚膜厚度误差应在<2%,厚膜厚度而变动。拉伸加热烘道使用热空气 加热厚膜,以 F-5361 为例,加热烘道温度如下: 横向拉伸采用充入压缩空气的方法吹胀, 吹胀比 4~6 倍,调节到纵向拉伸比基本一致,以得到纵横向性能平衡的 BOPP 膜。 退火处理 (热定型)使用 4 只加热辊筒和两只定型箱子,可以二片 BOPP 膜同时进行。热定型辊的温 度如下: 热定型薄膜经电晕处理就可以卷成制品。 管膜法 BOPP 薄膜的性能如下。 4、 平 膜法双向拉伸工艺 无论是逐级双向拉伸或同步双向拉伸都是使用挤出机挤出 PP 粒料, T 经 型口模流延出厚膜,骤冷后在加热辊筒上加热到拉伸温度,然后先纵向快辊逐级拉伸,再使 用夹具把边幅夹紧后,使夹具按倒八字形状逐渐横向拉伸,经定型温度下定型冷却后,电晕 处理,分切成要求宽度后卷取、包装出厂。同步双向拉伸是纵横向同时一次完成。 (1) 同 步双向拉伸工艺的优点 ‘1’可以用来生产不能使用逐级拉伸技术的塑料薄膜,如:尼龙 6 薄膜和聚乙烯醇薄膜等,这是因为上述塑料极易结晶,而拉伸可以促进结晶,逐级拉伸时, 纵向拉伸后的结晶度已经很高,难以再进行横向拉伸。为此,结晶速度快、结晶度高,容易 结晶的聚合物是不适宜于逐步双向拉伸的, 只适宜于同步双向拉伸工艺。 同步双向拉伸工艺 适用的塑料范围广泛, 如表 4-17 中所示。 ‘2’同步双向拉伸工艺可以生产超薄型的薄膜, 最薄的可以生产 1UM 左右的厚度,透明度好,而且同步双向拉伸工艺使薄膜的厚度均匀性、 薄膜的机械强度都较好。 ‘3’同步拉伸工艺的流水线进口价格很贵,是逐步拉伸工艺的 2.5 倍。世界上目前还只有不到 10 条的生产线在生产 BOPP 和 BOPET 薄膜。各种聚合物的拉 伸取向温度如表 4-18 所示。 (2) 工艺参数 ‘1’BOPET 的生产技术参数 PET 颗粒 170℃ 下沸腾床干燥,挤出温度 270℃~290℃,纵向拉伸温度 80~90℃,拉伸倍数 3.5,横向拉伸 温度 100~110℃,横向拉伸倍数 3.7,定型温度 230~240℃,冷却温度 150~50℃。目前我国 共有 19 条 BOPET 生产流水线,生产能力可达 14 万 t/a,现年生产 9.4 万 tBOPET 薄膜。 ‘2’BOPS 薄膜的生产技术参数 挤出温度 200℃, 可以直接冷却到 100~130℃后进行纵横向 拉伸,纵向拉伸 3.8 倍,而横向拉伸 3.5 倍,然后是拉伸张力下于 170~190℃热定型处理。 应当注意到的是:PS 是无定形聚合物,不必先骤冷再加热到高弹态,可以直接由熔点以下 降低到高弹态下拉伸定向。 但是, 热定型对无定形聚合物而言起的作用并不太大, 为此, BOPS 薄膜即使热定型后仍旧有较大的收缩率(可达 10%~44%),是热收缩膜良好材料,但不适宜 于作复合膜的面层材料。 ‘3’BOPA6 薄膜的生产参数 可以用管膜法或平膜法生产 BOPA6, 挤出机机筒温度在 270~290℃下挤出,PA6 粒子熔点为 250℃,在 140~150℃下双向拉伸,拉 伸倍数为 2.2~3.5 倍,然后在拉伸张力下于 150~210℃的温度热定型。各种双向拉伸薄膜的 性能列于表 4-19 中。
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