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雙向拉伸薄膜技術及應用介紹

"雙向拉伸”是近年來頗受關注的塑料薄膜成型方法之一,采用雙向拉伸技術可以明顯進步薄膜的機械性能、阻隔性能、光學性能、熱性能及厚度均勻性等,可滿足多種應用領域的生產要求。

塑料薄膜已經發展成為我國產量最大、品種最多的塑料製品之一,廣泛應用於包裝、電子電器、農業、建築裝飾及日用品等領域,其產量約占塑料製品總產量的20%。從應用領域來看,塑料薄膜使用最廣的是包裝產業,其次是農用塑料薄膜,其餘用作電工材料、感光材料等。除傳統的PE、PVC、PS外,BOPET(雙向拉伸聚酯)、BOPP(雙向拉伸聚丙烯)、BOPA(雙向拉伸尼龍)是近幾年迅速發展起來的新型薄膜材料。

塑料薄膜的成型方法很多,如壓延法、流延法、吹塑法、拉伸法等。其中,雙向拉伸成為近年來頗受關注的方法之一。

采用雙向拉伸技術生產的塑料薄膜具有以下特點:與未拉伸薄膜相比,機械性能明顯進步,拉伸強度是未拉伸薄膜的3~5倍;阻隔性能進步,對氣體和水汽的滲透性降低;光學性能、透明度、表麵光澤度進步;耐熱性、耐冷性能得到改善,尺寸穩定性好;厚度均勻性好,厚度偏差小;實現高自動化程度和高速生產。

適用於雙向拉伸生產的塑料薄膜主要包括聚酯、聚丙烯、聚酰胺、聚苯乙烯和聚酰亞胺薄膜等。

基本原理

塑料薄膜雙向拉伸技術的基本原理為:高聚物原料通過擠出機被加熱熔融擠出成厚片後,在玻璃化溫度以上、熔點以下的適當溫度範圍內(高彈態下),通過縱拉機與橫拉機時在外力作用下,先後沿縱向和橫向進行一定倍數的拉伸,從而使分子鏈或結晶麵在平行於薄膜平麵的方向上進行取向而有序排列,然後在拉緊狀態下進行熱定型,使取向的大分子結構固定,最後經冷卻及後續處理便可製得薄膜。

生產設備與工藝

雙向拉伸薄膜生產線是由多種設備組成的連續生產線,包括:幹燥塔、擠出機、鑄片機、縱向拉伸機、橫向拉伸機、牽引收卷機等。其生產流程較長,工藝也比較複雜。

以BOPET薄膜為例,將主要設備與工藝簡述如下:

1、配料與混合

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劑的PET切片,添加劑有二氧化矽、碳酸鈣、硫酸鋇、高嶺土等,根據薄膜的不同用途來選用相應的母料切片。聚酯薄膜一般采用一定量的含矽母料切片與有光切片配用,其作用是通過二氧化矽微粒在薄膜中的分布,增加薄膜表麵微觀上的粗糙度,使收卷時薄膜之間容納有極少量的空氣,從而防止薄膜粘連。有光切片與一定比例的母料切片通過計量混合機進行混合後進進下工序。

2、結晶和幹燥

對於有吸濕傾向的高聚物(例如PET、PA、PC等),在進行雙向拉伸之前,須先進行預結晶和幹燥處理。這樣做的目的是:進步聚合物的軟化點,避免其在幹燥和熔融擠出過程中樹脂粒子互相粘連或結塊;往除樹脂中的水分,防止含有酯基的聚合物在熔融擠出過程中發生水解或產生氣泡。

PET的預結晶和幹燥設備一般采用帶有結晶床的填充塔,同時配有幹空氣製備裝置,包括空壓機、分子篩往濕器、加熱器等。預結晶和幹燥溫度為150℃~170℃,幹燥時間約3.5~4h,幹燥後的PET切片濕含量要求控製在30~50ppm。

3、 熔融擠出

● 擠出機。經過結晶和幹燥處理後的PET切片進進單螺杆擠出機進行加熱熔融塑化。為了保證PET切片良好的塑化質量和穩定的擠出熔體壓力,螺杆的結構設計非常重要。除對長徑比、壓縮比、各功能段均有一定要求外,還特別要求是Barrier型螺杆,這種結構的螺杆有利於保證擠出物料的良好塑化、擠出機出口物料溫度的均勻一致、擠出機的穩定出料和良好排氣,並有利於進步擠出能力。

若擠出量不是太大,推薦選用排氣式雙螺杆擠出機。這種擠出機有兩個排氣口與兩個抽真空係統相連接,具有很好的抽排氣、除濕功能,可將物料中所含的水分和低聚物抽走,因而可以省往一套複雜的預結晶/幹燥係統,節省投資並降低運行本錢。擠出機溫度設定從加料口到機頭約為210℃~280℃。

● 熔體計量泵。熔體計量是通過高精度的齒輪泵來實現的。計量泵的作用是保證向模頭提供的熔體具有足夠而穩定的壓力,以克服熔體通過過濾器時的阻力,保持薄膜厚度的均勻性。熔體計量泵通常采用斜的二齒輪,泵的加熱溫度控製在270℃~280℃。

● 熔體過濾器。為了往除熔體中可能存在的雜質、凝膠粒子、魚眼等異物,常在熔體管線上計量泵的前後各安裝一個過濾器。BOPET薄膜生產線通常采用碟狀過濾器,其材料為不鏽鋼網與不鏽鋼燒結氈組合而成。不鏽鋼碟片的尺寸為φ12in(1in=25.4mm),過濾網孔徑一般在20~30μm,過濾器加熱溫度控製在275℃~285℃。

● 熔體管。熔體管的作用是將擠出機、計量泵、過濾器等與模頭連接起來,以讓熔體從中通過。熔體管內壁要求非常光潔且無死角,熔體管串連起來的長度盡量短一些,以免熔體在其中滯流,停留時間過長而產生降解。

來自擠出機的熔體被擠進到熔體管後,分別流經粗過濾器、計量泵、精過濾器後進進模頭。假如是三層共擠生產線,在模頭上方還配置一個熔體分配器。

過濾器、計量泵和熔體管等可以用電加熱,也可用導熱油夾套加熱。熔體管加熱溫度控製在275℃~285℃。

● 靜態混合器。熔體流過熔體管時,沿著管壁的熔體溫度與熔體中心的溫度有較大的溫差。為使進進模頭的熔體溫度均勻一致,以保證模頭出料均勻,須在熔體管連接模頭一真個內部安裝若幹組靜態混合器,熔體流過靜態混合器時,會自動產生分-合-分-合的混和作用,從而達到均化熔體溫度的目的。

4、鑄片係統

● 模頭。模頭是流延鑄片的關鍵模具,直接決定鑄片的外形和厚度均勻性。BOPET常采用衣架型模頭,模頭開度通過若幹個帶有加熱線圈的推/拉式差動螺栓進行初調,並通過在線測厚儀的自動測厚、反饋給模頭的加熱螺栓進行模唇開度的微調。模頭溫度控製在275℃~280℃。

● 急冷輥(鑄片輥、俗稱冷鼓)。從模頭流出呈粘流態的PET熔體在勻速轉動的急冷輥上被快速冷卻至其玻璃化溫度以下,形成厚度均勻的玻璃態鑄片。急冷的目的是使厚片形成無定型結構,盡量減少其結晶,以免對下道拉伸工序產生不良影響。為此,要求鑄片輥表麵溫度均勻,冷卻效果好。同時要求急冷輥轉速均勻而穩定。另外,鑄片輥內通30℃左右的冷卻水,以保證將鑄片冷卻至50℃以下。

● 靜電吸附裝置。靜電吸附裝置的作用是使鑄片與急冷輥緊密接觸,防止急冷輥快速轉動時卷進空氣,以保證傳熱/冷卻效果。

靜電吸附裝置由金屬絲電極、高壓發生器及電極收放力矩電機等組成。其工作原理是:利用高壓發生器產生的數千伏直流電壓,使電極絲、鑄片輥分別變成負極和正極(鑄片輥接地),鑄片在此高壓靜電場中因靜電感應而帶上與鑄片輥極性相反的靜電荷,在異性相吸的作用下,鑄片與急冷輥表麵緊密吸附在一起,達到排除空氣和良好傳熱的目的。

5、 縱向拉伸(MDO)

將來自鑄片機的厚片在縱向拉伸機組中加熱到高彈態下進行一定倍數的縱向拉伸。縱向拉伸機由預熱輥、拉伸輥、冷卻輥、張力輥和橡膠壓輥、紅外加熱管、加熱機組以及驅動裝置等組成。縱向拉伸通常為單點拉伸,也有多點拉伸,如兩點或三點拉伸。縱拉比是通過慢拉輥與快拉輥之間的速度差而產生的,一般為3.3~4倍。

6、 橫向拉伸(TDO)

橫向拉伸機由烘箱、鏈夾和導軌、靜壓箱、鏈條張緊器、導軌寬度調節裝置、開閉夾器、熱風循環係統、潤滑係統及EPC等組成。其作用是將經過縱向拉伸的薄膜在橫拉機內分別通過預熱、拉幅、熱定型和冷卻而完成薄膜的橫向拉伸。橫拉比為3.5~4倍。

7、 牽引收卷與分切

本工序由若幹個牽引導向輥、冷卻輥、展平輥、張力輥、跟蹤輥、切邊裝置、測厚儀及電暈處理機等組成。經過雙向拉伸的薄膜通過切邊、測厚、電暈處理後便可進行收卷和分切,經檢驗合格後即是成品。

BOPET薄膜的主要應用

1、包裝材料

● 印刷複合膜 。為了增強包裝效果和阻隔性能,實現性能互補並適應封口需要,常采用印刷複合膜作為包裝材料。複合方法包括幹法複合、濕法複合、擠出複合、共擠出複合等。

● 真空鍍鋁膜。真空鍍鋁膜是采用特殊工藝在BOPET薄膜表麵蒸鍍上一層極薄的金屬鋁而製成,從而使薄膜表麵具有金屬光澤,並大大進步了其阻隔性。因此,真空鍍鋁膜已被廣泛地應用於食品、醫藥、產業產品的包裝。

● 電化鋁燙印(燙金)。電化鋁燙印是一種不使用油墨的特種印刷工藝,借助一定的壓力與溫度,應用於裝在燙印機上的模版,使印刷品和燙印箔在短時間內相互受壓,將金屬箔或顏料按燙印模版的圖文轉印到被燙印到製品表麵,俗稱燙金。在這裏,塑料薄膜(燙金膜)僅作為載體。

● 轉移膜。真空鍍鋁卡紙是近年來發展起來的一種新奇的高級包裝材料。這種紙光彩光亮,金屬感強,印品亮麗高雅,可以代替印刷品的大麵積燙金,可以起到美化商品的作用。由於采用真空鍍鋁的方法,在卡紙表麵僅覆蓋一層緊密光亮的、厚度為0.25~0.3μm薄鋁層,僅是裱鋁卡紙鋁箔層厚度的1/500,既有高貴美觀的金屬質感,又具有可降解、回收的環保屬性,是一種綠色包裝材料。

真空鍍鋁卡紙通常采用轉移法生產,就是將BOPET置於真空鍍鋁機鍍鋁後,進行塗膠與紙複合,再將BOPET薄膜剝離,鋁分子層通過膠粘作用便轉移到紙板表麵上。BOPET薄膜在這裏也起鋁箔轉移的作用,且可多次使用,故稱轉移膜。

● 激光全息防偽膜。激光全息防偽膜是在BOPET薄膜麵壓印上可激光顯示的圖案標識後鍍鋁而製成的,主要用於防偽。例如,國際著名的銀行信用卡、政府部分頒發的各類許可證、身份證、駕駛證、護照、海關單據、國際著名品牌服裝、電器等物品上都能發現全息防偽標識。

● 護卡膜。護卡膜以BOPET薄膜為基材,在其上擠出塗布一層可熱封的熱熔膠(如EVA)而成,用於各種證件包括身份證、文件檔案、相片等表麵的保護。

2、裝飾材料

● 金銀線。金銀線用BOPET薄膜為基膜經真空鍍鋁、塗布上色而成,其顏色多樣亮麗,廣泛用於針織品、刺繡、工藝品、裝飾品等。

● 金拉線。金拉線用BOPET薄膜經過上色、分切等處理而製成,主要用於香煙盒、禮品盒的包裝封條。

● 玻璃貼膜。玻璃貼膜大致分為建築玻璃膜、汽車玻璃膜、安全玻璃膜。

建築玻璃膜以節能為主要目的,外帶防紫外線和安全功能,厚度通常為25~38μm,可分為熱反射膜和低輻射膜。

熱反射膜貼在玻璃表麵使房內能透過可見光和近紅外光,但不能透過遠紅外光,因此有足夠的光線進進室內,而將大部分的太陽能熱量反射回往,在炎熱的夏季可避免室內溫度升高太多,從而降低室內的空調負荷,利於節省能耗。

低輻射膜透過一定量的短波太陽輻射能,使太陽輻射熱進進室內,被室內物體所吸收,同時又能將90%以上的室內物體輻射的長波紅外線反射保存於室內。低輻射膜能充分利用太陽光輻射和室內物體的長波輻射能,在嚴冷地區和采熱建築中使用可起到保溫順節能的作用。

汽車玻璃膜除具有節能和安全性高的特點,對透明度的要求也很高。由於對於汽車擋風玻璃,貼膜後可見光透過率必須大於70%才能符合國標GB7258-1997的要求。

安全玻璃膜的主要功能是安全防爆,一般用於銀行、珠寶商店櫥窗、博物館等。這種薄膜具有較好的抗衝擊性、隔紫外線能力、較高的透明度,通常由單層或多層PET夾層合成,厚度有50μm、100μm、180μm、280μm等規格。

雙向拉伸薄膜的發展

近年來,我國的塑料薄膜雙向拉伸生產線的發展速度很快,各種塑料薄膜雙拉生產線已有上百條。但無論是BOPP薄膜、還是BOPET薄膜,均已呈現出供大於求的趨勢。為此,很多企業都在努力調整產品結構,開發差異化、功能化的薄膜新品種,並不斷開拓薄膜的新用途。

以BOPET薄膜為例,目前國內雙拉生產線所生產的產品規格大部分在8~75μm範圍內,此厚度範圍產品的產能已遠遠供大於求;4μm以下或150~300μm的厚膜具有相當大的發展空間,特別是厚膜的應用範圍在不斷擴大。

另外,市場中出現了熱封膜、熱收縮膜、高阻隔膜、抗紫外線輻射膜、抗靜電膜、阻燃膜等特種薄膜和功能性薄膜,可滿足不同的使用要求。

熱封型聚酯膜是最近開發成功的新產品,具有可自熱封性,可直接用於各種小包裝或護卡等,而不再需要進行複合或塗膠等工序,使用十分方便。

熱收縮薄膜可廣泛應用於方便食品、飲料、酒類的外包裝、化妝品等日用品外包裝、電子電器、收縮標簽等。該薄膜的特點是:貼體透明,可體現商品形象;緊束包裝物,防散性好;防雨,防潮,防黴;無複原性,具有一定的防偽功能;屬於環保友好材料,是PVC熱收縮薄膜的理想替換品。


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