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流延膜、吹脹膜及雙向拉伸膜的特點及生產工藝

2007-01-27 00:00 來源:中華印刷包裝網 責編:中華印刷包裝網

一、流延膜

所有的熱塑性塑料薄膜的性能,不僅同使用的塑料原材料粒子有密切的關系,還同薄膜的生產工藝及工藝參數有關。同一種塑料制品,例如:薄膜可以用不同的生產工藝流程來生產,即使用同一種材料同一種生產工藝,由于生產時的溫度、壓力、吹脹比等工藝參數的不同,所得薄膜的性能也有所差別。

流延(Cast)法生產的薄膜稱流延膜,用C作字頭,如:流延聚丙烯薄膜,稱CPP膜。流延法薄膜有擠出流延膜和溶劑流延膜兩種。

1、溶劑流延法

溶劑流延法生產的薄膜具有更薄且厚度均勻性更好的優點,1~3um的超薄膜只在某些高科技材料中使用,一般在包裝材料中不采用,因為設備投資大,溶劑毒性大,而且需使用大量溶劑,溶劑回收設備及操作費用均較大,只有像玻璃紙等極少數不能或很難用擠出法生產的薄膜才使用溶劑法生產。

溶劑法生產的流延膜工藝是:把熱塑性塑料的溶液或使用熱固性塑料的預聚體溶膠涂布在可剝離的載體上,經過一個烘道的加熱干燥,進而熔融塑化成膜層冷卻下來后,從載體離型面上剝離下來卷取而成膜。載體可以是鋼帶、涂布硅橡膠的離型紙或輥筒。美國一些需要超薄且厚度平整性特別優良的薄膜是把溶膠流延在一個加熱的水銀池上面,經揮發去除溶劑成膜后,從水銀面上撈起薄膜卷取而成。

溶劑流延膜有以下幾個特點:


(1)薄膜的厚度可以很小,一般在5-8UM,使用水銀為載體的薄膜,稱為分子膜,其厚度可以低至3UM厚。
(2)薄膜的透明度高、內應力小,多數用于光學性能要求很高的場合下,例如:電影膠卷、安全玻璃的中間夾層膜等。
(3)薄膜厚度的均勻性好,不易摻混入雜質,薄膜質量好。
(4)溶劑流延膜由于沒有受到充分的塑化擠壓,分子間距離大,結構比較疏松,薄膜的強度較低。
(5)生產成本高,能耗大、溶劑用量大,生產速度低。

溶劑流延法生產的薄膜有三醋酸纖維素酯、聚乙烯醇、氯醋樹脂等。此外,聚四氟乙烯和PC也常用溶劑流延法生產薄膜。熱固性的合成膠液也常用于生產高耐熱性的薄膜。

流延三醋酸纖維素酯薄膜生產用膠液的配方如下:三醋酸纖維互酯100份(質量份),混合溶劑(三氯甲烷90%體積,10%的甲醇)700份(質量份),增塑劑三苯基磷酸酯20份(質量份)。

2、擠出流延薄膜

以CPP擠出流延薄膜的生產工藝流程為例,使用耐寒級共聚丙烯CPP粒子作流延膜的原料,MFR為6~9g/10min(例如:日本窒素工業公司的F8277就是耐寒級PP),擠出機擠出——T型口模流延——氣刀——1#冷卻輥——2冷卻輥——電暈處理——切廢邊——卷取。擠出機螺桿直徑65mm,L/D=32,普通漸變型螺桿。

機筒溫度:210℃、230℃、240℃、255℃、265℃共5段,連接器溫度265℃,樹脂溫度230~237℃,T型口模溫度(共2m寬)均為265℃。1#冷卻輥使用自來水經冷卻器熱交換器冷卻到0~-5℃后進入,2#冷卻器冷卻水溫為8~10℃。T型口模使用螺栓人工調節流延膜厚度,應當指出的是,目前國內進口先進的流延膜生產線均采用R射線測厚儀(走查式)能自動測厚顯示記錄并反饋到T型口模上的熱膨脹螺絲上,從而自動調控T型口模間隙,可以使流延膜厚度的平均誤差在2%以內。人工調節螺絲調節,只能在10%以內(1m寬度)。

氣刀和氣隙在擠出流延薄膜中有重要的作用,氣刀是安裝在T型口模下方的一條狹長的縫口,由此噴出壓縮空氣,使由T型口模流延出來的熔體薄膜能緊貼在1#冷卻輥上,提高了冷卻效果,且能使塑料薄膜表面平整度提高,減少流延膜二端產生的縮頸現象。

氣隙是熔體塑料膜離開T型口模到達1#冷卻輥表面之間的距離,氣隙愈長則薄膜在熔融高溫下同空氣接觸的時間愈長,薄膜表面氣化就愈大,而且氣隙愈大,薄膜二端因冷卻而產生的縮頸現象就愈厲害,薄膜平整度愈差。一般講來,氣隙愈小,引膜困難愈大,合適的氣隙距離為2.0cm左右。氣隙小,表面氧化少,有利于薄膜的熱封性的提高,但不利于薄膜粘結力的提高。
CPP薄膜的性能:
厚度20-30um
霧度5.5%~6%
拉伸強度,縱/橫≧40/20MPa
斷裂伸長率,縱/橫≧400%/500%
直角撕裂強度,縱/橫≧100kgf/cm/140kgf/cm
表面張力≧42×10-3N/m

擠出流延法薄膜的特點是:

(1)生產速度比吹脹法高,可以高達60~80m/min,最近從國外引進的擠出流延膜生產線,可高達150~200m/min,而吹脹法由于受到泡膜冷卻速度的限制,一般僅30~60m/min,擠出流延工藝中冷卻輥輥溫可在0~-5℃,直接緊貼在輥筒上,冷卻效果好。
(2)擠出流延法生產的薄膜透明性比吹脹法好,無論是PE或PP均可以用擠出流延法生產出透明性良好的薄膜,而吹脹法風冷卻時,PP不能有良好的透明性,要得到良好透明性,必須使用水冷卻法。
(3)擠出流延法薄膜的厚度均勻性比吹脹法好。
(4)擠出流延膜的縱橫向性能是均衡的,而吹脹法薄膜的縱橫向性能由于牽引輥速度和吹脹比的不同而不同。原則上,擠出流延法生產的薄膜是由一個輥筒傳遞給另一個輥筒,不應當存在卷取或牽引的拉力,因而擠出流延膜無論縱向或橫向都不受到拉伸,性能是均衡的。
(5)正因為擠出流延膜不受到任何方向上的拉伸,其熱封性能比吹脹膜好,而雙向拉伸膜則沒有熱封性。擠出流延膜受熱時的收縮性最小,有利于熱封制袋。

二、吹脹膜

吹脹膜(inflationfilm)可以用英文I表示,例如:吹脹法生產的聚丙烯薄膜,稱為IPP膜。

1、吹脹法生產薄膜的特點

(1)吹脹膜同流延膜相比較有較高的機械強度,橫向的吹脹和牽引輥的快速牽引,是對塑料薄膜的一種雙向拉伸,因而力學性能比較大。
(2)吹脹膜可以作熱封材料,事實上大多數熱封用膜是使用的吹脹膜,但是其熱封性不如流延膜。
(3)吹脹法生產的速度比流延法要低,薄膜厚度的均勻性不如流延膜好。

2、吹脹法薄膜生產工藝的比較

3、吹脹膜生產中的注意點

(1)安定筒安定筒是日本placo公司發明的,它是用毛氈包扎在一個不銹鋼管上的倒圓錐形狀的零件。裝在口模的芯棒上,用以吹入空氣,熔體薄膜由安定筒上引出,安裝安定筒可以起到穩定膜泡,防止膜泡在空氣中搖擺而影響薄膜表面質量;通過熔體膜泡在氈上拉出,無形中起到拉伸作用,因此,可以提高吹脹膜的機械強度;實踐證明,使用安定筒的吹脹膜厚度的均勻性好。

(2)露點露點是在膜泡上的一條透明與模糊的分界線,即:熔體塑料從液體進入固體的熔點線,露點的高低對吹脹膜的性能有較大的影響:如果露點高,則吹脹是在液體狀態下完成的,生產出來的吹脹膜性能接近于流延膜。相反,露點線低,在膜泡下面未吹脹處,也就是說,膜泡的吹脹是在固體高彈態下進行的,生產出來的吹脹膜性能更接近于定向膜,熱封性能變差。

可以使用調節風環中風量的大小來調節露點的高度。


(3)吹脹比和牽引比吹脹比是薄膜的直徑同芯棒或環形口模直徑之比,吹脹比愈大,薄膜的透明度和光澤性愈好,機械強度更好,但是吹脹比太大,則膜泡過大,薄膜過薄,厚度不均勻性增大,薄膜容易發皺,通常吹脹比在2~3為佳。吹脹比同薄膜的橫向性能有關。

牽引比是熄泡輥的線速度同擠出機擠出薄膜速度之比,這個比愈大,薄膜愈薄,縱向機械性能愈好,過高的牽引比同吹脹比一樣是不合適的,一般牽引比在4~6為佳。牽引比同吹脹比調節合適,所得到的吹脹膜縱橫向性能可望平衡,否則,縱橫向性能是不平衡的,一般縱向性能大于橫向性能。

(4)二次吹脹工藝日本窒素工業株式會社開發了一種叫二次吹脹工藝,這種工藝是把經過吹脹后熄泡后的塑料薄膜,經加熱輥加熱后,再次吹脹,然后冷卻收卷。二次吹脹工藝可以提高薄膜的開口性、提高薄膜的機械強度,生產出厚度更小的薄膜。而且薄膜厚度的均勻性可以提高。

三、雙向拉伸薄膜

正如前述,雙向拉伸薄膜常常作為軟塑包裝材料的面層或中間層材料使用,這種材料要求有熱封性,但要求有良好的粘結劑粘結牢度,起功能性和印刷作用。雙向拉伸薄膜是通過對塑料薄膜的縱向和橫向的機械拉伸而發生高聚物分子的定向,提高了高聚物分子的結晶度和結晶的細微化,從而大大提高雙向拉伸膜的機械強度和透明度。一般來講,聚合物結晶度提高,透明速會降低,但是,分子在拉伸過程結晶度提高的同時,結晶顆粒細微化,細微的結晶顆粒不能阻擋光線的穿透性,為此,透明度也能提高。分子定向喪失了熱封性,為此,雙向拉伸薄膜是不能熱封的。

1.雙向拉伸工藝

雙向拉伸工藝有管膜法之分,平膜法中又有逐級雙向拉伸工藝和同步雙向拉伸工藝之分。管膜法的特點是;
(1)設備投資較少,整條流水線的價格僅50萬美元,而同時一條4m寬的BOPP逐級雙向拉伸的國產設備總投資達1800萬人民幣,合美元達800萬美元。
(2)管膜法雙向拉伸工藝生產速度低,僅20~30m/min,而平膜法可達150~200m/min;管膜法生產的折徑較小,僅600~700mm,而平膜法可生產4~6m寬度的,進口的大型設備可生產10m寬度以上的雙向拉伸膜。
(3)管膜法生產的膜,厚度均勻性差,而平膜法厚度均勻性好。
(4)拉伸倍數管膜法比較小,一般為4~6;而平膜法可達8~10倍。
(5)管膜法只能生產厚度20UM以上的膜,低于20UM,易發生泡的破裂而中斷生產,而平膜法可以生產9~12UM厚的薄膜。
2、管膜法BOPP的工藝流程

3、生產的工藝參數
以日本窒素工程株式會社生產的#65mm擠出機為例,L/D=28,主電機22kw,無級變速,加熱功率16kw。使用日本窒素化學公司生產的二種PP粒子,牌號為F-5361和XF-2376,厚膜擠出機筒溫度如下:

驟冷水由制冷機提供,水溫控制在5~10℃,厚膜厚度誤差應在<2%,厚膜厚度而變動。拉伸加熱烘道使用熱空氣加熱厚膜,以F-5361為例,加熱烘道溫度如下:


橫向拉伸采用充入壓縮空氣的方法吹脹,吹脹比4~6倍,調節到縱向拉伸比基本一致,以得到縱橫向性能平衡的BOPP膜。

退火處理(熱定型)使用4只加熱輥筒和兩只定型箱子,可以二片BOPP膜同時進行。熱定型輥的溫度如下:


熱定型薄膜經電暈處理就可以卷成制品。

管膜法BOPP薄膜的性能如下。

4、平膜法雙向拉伸工藝

無論是逐級雙向拉伸或同步雙向拉伸都是使用擠出機擠出PP粒料,經T型口模流延出厚膜,驟冷后在加熱輥筒上加熱到拉伸溫度,然后先縱向快輥逐級拉伸,再使用夾具把邊幅夾緊后,使夾具按倒八字形狀逐漸橫向拉伸,經定型溫度下定型冷卻后,電暈處理,分切成要求寬度后卷取、包裝出廠。同步雙向拉伸是縱橫向同時一次完成。

(1)同步雙向拉伸工藝的優點

‘1’可以用來生產不能使用逐級拉伸技術的塑料薄膜,如:尼龍6薄膜和聚乙烯醇薄膜等,這是因為上述塑料極易結晶,而拉伸可以促進結晶,逐級拉伸時,縱向拉伸后的結晶度已經很高,難以再進行橫向拉伸。為此,結晶速度快、結晶度高,容易結晶的聚合物是不適宜于逐步雙向拉伸的,只適宜于同步雙向拉伸工藝。同步雙向拉伸工藝適用的塑料范圍廣泛。

‘2’同步雙向拉伸工藝可以生產超薄型的薄膜,最薄的可以生產1UM左右的厚度,透明度好,而且同步雙向拉伸工藝使薄膜的厚度均勻性、薄膜的機械強度都較好。

‘3’同步拉伸工藝的流水線進口價格很貴,是逐步拉伸工藝的2.5倍。世界上目前還只有不到10條的生產線在生產BOPP和BOPET薄膜。各種聚合物的拉伸取向溫度如表4-18所示。

(2)工藝參數

‘1’BOPET的生產技術參數

PET顆粒170℃下沸騰床干燥,擠出溫度270℃~290℃,縱向拉伸溫度80~90℃,拉伸倍數3.5,橫向拉伸溫度100~110℃,橫向拉伸倍數3.7,定型溫度230~240℃,冷卻溫度150~50℃。目前我國共有19條BOPET生產流水線,生產能力可達14萬t/a,現年生產9.4萬tBOPET薄膜。

‘2’BOPS薄膜的生產技術參數

擠出溫度200℃,可以直接冷卻到100~130℃后進行縱橫向拉伸,縱向拉伸3.8倍,而橫向拉伸3.5倍,然后是拉伸張力下于170~190℃熱定型處理。應當注意到的是:PS是無定形聚合物,不必先驟冷再加熱到高彈態,可以直接由熔點以下降低到高彈態下拉伸定向。但是,熱定型對無定形聚合物而言起的作用并不太大,為此,BOPS薄膜即使熱定型后仍舊有較大的收縮率(可達10%~44%),是熱收縮膜良好材料,但不適宜于作復合膜的面層材料。

‘3’BOPA6薄膜的生產參數

可以用管膜法或平膜法生產BOPA6,擠出機機筒溫度在270~290℃下擠出,PA6粒子熔點為250℃,在140~150℃下雙向拉伸,拉伸倍數為2.2~3.5倍,然后在拉伸張力下于150~210℃的溫度熱定型。

 
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