雙向拉伸聚丙烯薄膜的生產(chǎn)工藝研究

1、雙向拉伸聚丙烯薄膜的生產(chǎn)工藝研究摘要：介紹了雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜的生產(chǎn)方法及工藝流程，分析了原材料、縱橫拉伸比、溫度等因素對(duì)BOPP薄膜物理、力學(xué)性能的影響，并且對(duì)生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，提出了解決鑄片常見(jiàn)缺陷及拉伸破膜的方法。    關(guān)鍵詞：雙向拉伸聚丙烯薄膜，鑄片，加工     雙向拉伸塑料薄膜是在低于薄膜材料熔點(diǎn)、高于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（Tg）時(shí)，對(duì)厚膜或鑄片進(jìn)行縱向和橫向拉伸，然后在張緊狀態(tài)下進(jìn)行適當(dāng)冷卻或熱定型處理或特殊的加工（如電暈、涂覆等）而制得的制品。雙向拉伸聚丙烯（BOPP）薄膜就是用這種方法制得

2、的。B    OPP薄膜是包裝領(lǐng)域的重要產(chǎn)品，具有質(zhì)輕、透明、無(wú)毒、防潮、透氣性低、力學(xué)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于食品、醫(yī)藥、日用輕工、香煙等產(chǎn)品的包裝，并大量用作復(fù)合膜的基材，有“包裝皇后”的美稱。雙向拉伸法是一種技術(shù)要求十分高的塑料成型加工方法，除需要具備性能良好的加工設(shè)備外，更重要的是要求生產(chǎn)人員能夠深入掌握PP的性能及加工條件對(duì)產(chǎn)品性能的影響，及時(shí)解決生產(chǎn)中存在的問(wèn)題。     1. BOPP薄膜的主要生產(chǎn)方法及工藝流程    目前BOPP薄膜的生產(chǎn)方法主要有管膜法和平膜法。管膜法屬雙向一

3、步拉伸法；平膜法又分為雙向一步拉伸和雙向兩步拉伸兩種方法。管膜法具有設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、占地小、無(wú)邊料損失、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于存在生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品厚度公差大等缺點(diǎn)，自20世紀(jì)80年代以來(lái)幾乎沒(méi)有發(fā)展，目前僅用于生產(chǎn)BOPP熱收縮膜等特殊品種。雙向一步拉伸法制得的產(chǎn)品縱橫向性能均衡，拉伸過(guò)程中幾乎不破膜，但因設(shè)備復(fù)雜、制造困難、價(jià)格昂貴、邊料損失多、難于高速化、產(chǎn)品厚度受限制等問(wèn)題，目前尚未得到大規(guī)模采用。而雙向兩步拉伸法設(shè)備成熟、生產(chǎn)效率高、適于大批量生產(chǎn)，被絕大多數(shù)企業(yè)所采用。     2. 影響B(tài)OPP薄膜物理、力學(xué)性能的因素  

4、;  2.1 原材料性能    工業(yè)化生產(chǎn)BOPP薄膜用主料的主要成分是PP。PP是一種典型的立體規(guī)整性聚合物，根據(jù)烴基在分子平面兩側(cè)的分布，可分為等規(guī)PP、間規(guī)PP和無(wú)規(guī)PP。等規(guī)PP和間規(guī)PP具有不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，等規(guī)PP是以均相成核的三維生長(zhǎng)方式進(jìn)行結(jié)晶，而間規(guī)PP主要以均相成核的二維方式進(jìn)行結(jié)晶，形成了外觀尺寸不規(guī)則的小晶片，而且由于間規(guī)PP分子結(jié)構(gòu)的規(guī)整度較低，使得間規(guī)PP具有較低的結(jié)晶速率和結(jié)晶度。研究表明，等規(guī)度越大，結(jié)晶速率越快，薄膜產(chǎn)品的屈服強(qiáng)度和表面硬度會(huì)明顯增大，而無(wú)規(guī)PP在聚合物中起內(nèi)部潤(rùn)滑劑的作用，并有利于聚合物定向，有助于改善薄

5、膜的光學(xué)性能。    目前，BOPP薄膜品種繁多，性能也差異很大，造成這種情況的主要原因是使用的原料和生產(chǎn)工藝不同。實(shí)踐證明，只有等規(guī)PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95%97%，無(wú)規(guī)PP的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%5%的PP才適合生產(chǎn)BOPP薄膜，并且一般選用熔體流動(dòng)速率為24g/10min的PP。另外，通過(guò)在PP薄膜的表面上共擠出一層或多層熔點(diǎn)較低的共聚物，可以擴(kuò)大BOPP薄膜在包裝工業(yè)中的應(yīng)用范圍。     2.2 縱、橫向拉伸比    拉伸比是一個(gè)很重要的工藝參數(shù)，無(wú)論是縱向拉伸比，還是橫向拉伸比，對(duì)BOPP薄膜的

6、物理、力學(xué)性能都有重大的影響。在一定的溫度下，拉伸比愈大，PP分子鏈的取向度愈大。即薄膜的力學(xué)強(qiáng)度提高、模量增大、斷裂伸長(zhǎng)率減小，沖擊強(qiáng)度、耐折性增大，透氣、光澤性變好。BOPP薄膜生產(chǎn)過(guò)程中的取向主要發(fā)生在縱向拉伸和橫向拉伸過(guò)程中，在經(jīng)過(guò)縱向拉伸后，高分子鏈呈單軸縱向取向，大大提高了鑄片的縱向力學(xué)性能，而橫向性能劣化。進(jìn)一步橫向拉伸后，高分子鏈呈雙軸取向狀態(tài)。隨著分子鏈取向度的提高，薄膜中伸直鏈段數(shù)目增多，折疊鏈段數(shù)目相應(yīng)減少，晶片之間的連接鏈段逐漸增加，材料的密度和強(qiáng)度都相應(yīng)提高，而斷裂伸長(zhǎng)率降低。因此雙向拉伸可以綜合改善PP薄膜的性能?？v向拉伸比和橫向拉伸比的差異最終決定BOPP薄膜縱、

7、橫向的物理、力學(xué)性能差異。如果縱向拉伸比和橫向拉伸比相差不大，兩個(gè)方向上的分子取向就沒(méi)有明顯的差異，BOPP薄膜表現(xiàn)出各向同性。為了生產(chǎn)縱向性能高于橫向性能的BOPP薄膜，縱、橫拉伸比的選擇相當(dāng)重要，一般情況下，縱向拉伸比（4.55.5）小于橫向拉伸比（7.59.0）。BOPP薄膜的橫向拉伸是一個(gè)重要且復(fù)雜的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程在一個(gè)連續(xù)的熱環(huán)境中進(jìn)行。橫向拉伸過(guò)程具有多拉伸起始點(diǎn)，這主要是由橫向上的某些薄弱點(diǎn)、較高的橫向拉伸速率，以及薄膜中雜質(zhì)、氣泡和外觀缺陷等因素造成的。多拉伸起始點(diǎn)易引起產(chǎn)品厚度不均勻。同時(shí)在橫向拉伸時(shí)，有“階梯拉伸”和“固有拉伸倍數(shù)”的問(wèn)題。即在橫向拉伸過(guò)程中，在薄膜的橫向有

8、若干個(gè)突然被拉伸到最大倍數(shù)的“階梯”點(diǎn)。隨著拉伸過(guò)程的進(jìn)行，“階梯”逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，直至在整個(gè)幅面上全部被拉伸。在BOPP薄膜生產(chǎn)中，拉伸程度必須達(dá)到“固有拉伸倍數(shù)”，即薄膜的縱向拉伸比和橫向拉伸比的乘積必須達(dá)到40左右。如果縱向拉伸比不足，拉伸后薄膜橫向出現(xiàn)許多“斑馬紋”或厚條道；如果橫向拉伸比不足，兩個(gè)邊部就會(huì)出現(xiàn)厚條道。     2.3溫度    拉伸各區(qū)的溫度分布是影響B(tài)OPP薄膜拉伸取向、結(jié)晶的關(guān)鍵因素。溫度是通過(guò)聚合物粘度和松弛時(shí)間的作用來(lái)影響取向過(guò)程的。溫度升高，聚合物粘度降低，在恒定應(yīng)力作用下，高彈形變和粘性

9、形變都要增大，高彈形變?cè)黾佑邢蓿承孕巫儼l(fā)展卻很快，有利于聚合物取向。    （1）在高于粘流溫度Tf或熔點(diǎn)（Tm）溫度拉伸時(shí)，聚合物的大分子活動(dòng)能力很強(qiáng)，在很小的外應(yīng)力作用下就會(huì)引起分子鏈解纏、滑移和取向，然而在高溫作用下，其分子的解取向速率也會(huì)加快，使有效取向度降低。    （2）當(dāng)溫度逐漸升高到Tg以上時(shí)，聚合物具有彈性，熱運(yùn)動(dòng)的能量克服了某些物理交聯(lián)點(diǎn)的牽制，使鏈段產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，但整個(gè)分子鏈尚不能移動(dòng)。    （3）當(dāng)在Tg以下拉伸時(shí)，外力只能引起分子鏈伸縮、振動(dòng)和鍵角的微小改變。塑料薄膜的拉伸溫度一

10、般在TgTm(或Tf)之間，具體溫度根據(jù)聚合物的性能決定。    實(shí)踐證明，采用比較低的預(yù)熱、拉伸溫度或者拉伸后立即進(jìn)行冷卻，是提高BOPP薄膜取向度、減小結(jié)晶度的有效方法。預(yù)熱溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致PP形成球晶，薄膜透明性下降；而拉伸溫度過(guò)高，PP鏈段易于解取向，不但引起熱封性面層材料粘輥，而且大大降低BOPP薄膜的物理、力學(xué)性能。橫向拉伸區(qū)的溫度分布應(yīng)力求均勻、穩(wěn)定，否則會(huì)影響B(tài)OPP薄膜橫向厚度的均勻性及拉伸的連續(xù)性。    PP是結(jié)晶性聚合物，其最大結(jié)晶速率的溫度約為Tm的0.800.85倍，溫度越高（如在Tm附近）或越低（如在Tg附

11、近），越難結(jié)晶。如果在拉伸過(guò)程中要防止預(yù)熱、拉伸時(shí)PP結(jié)晶度的急劇增加，選擇拉伸溫度時(shí)最好不要在其最大結(jié)晶速率的溫度區(qū)域，而選在結(jié)晶開(kāi)始熔融、分子鏈能夠運(yùn)動(dòng)的溫度下，即在低于Tm25左右的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行拉伸。     3. BOPP薄膜生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題及解決辦法    在生產(chǎn)BOPP薄膜過(guò)程中所要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)首先是在盡可能高速的前提下實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，其次是提高BOPP薄膜的性能，保證質(zhì)量，再次是降低能耗。然而，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于多方面的原因，BOPP薄膜出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，使生產(chǎn)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。筆者針對(duì)生產(chǎn)中常見(jiàn)的問(wèn)題，結(jié)

12、合引進(jìn)的法國(guó)DMT公司的8.2m BOPP薄膜生產(chǎn)線提出解決的辦法。        3.1 鑄片常見(jiàn)的缺陷和解決辦法    3.1.1 橫向條紋    （1）大間距橫向條紋其產(chǎn)生原因主要有擠出熔體壓力不穩(wěn)、急冷輥轉(zhuǎn)速或溫度不均、風(fēng)刀風(fēng)量波動(dòng)過(guò)大3點(diǎn)。其中第1點(diǎn)比較常見(jiàn)。造成壓力不穩(wěn)的因素有很多，最主要的一方面是生產(chǎn)線線速度提速過(guò)快，造成計(jì)量泵轉(zhuǎn)速迅速提高，而另一方面主擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速提高相對(duì)較慢，造成模頭吐料不足，壓力不穩(wěn)。遇到此類情況，最好適當(dāng)延長(zhǎng)提速時(shí)間，待線速度穩(wěn)定后，橫

13、向條紋自然消失。還有一種比較常見(jiàn)的情況，就是原料因素。在各項(xiàng)工藝條件控制較好，經(jīng)多次調(diào)整無(wú)明顯改善時(shí)，就要考慮更換原料。    （2）小間距橫向條紋小間距橫向條紋在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中并不常見(jiàn)，產(chǎn)生原因有4點(diǎn)：機(jī)頭的角度不適宜、風(fēng)刀角度或風(fēng)量不適宜、機(jī)頭附近氣流影響、急冷輥轉(zhuǎn)速不穩(wěn)?？蓮倪@4個(gè)方面加以解決。3.1.2 縱向條紋    在鑄片過(guò)程中，有時(shí)會(huì)看到擠出鑄片局部、固定位置處有連續(xù)縱向條紋。如果用這種鑄片來(lái)生產(chǎn)BOPP薄膜，將導(dǎo)致薄膜橫向厚度不均勻；收卷、分切薄膜外觀出現(xiàn)明顯的突起(暴筋)或縱向條紋。消除縱向條紋通常采取的措施有：選用

14、結(jié)構(gòu)合理、質(zhì)量好的模頭，保證唇口光潔，不得有任何機(jī)械損傷。加強(qiáng)熔體過(guò)濾。及時(shí)清除唇口上的雜物，做好機(jī)頭維護(hù)工作。提高氣刀吹風(fēng)的均勻性。合理控制擠出各段溫度。調(diào)整好機(jī)頭相對(duì)急冷輥的位置。     3.1.3 兩邊翹曲    該現(xiàn)象主要是由附片效果不好、鑄片過(guò)程中兩面溫差過(guò)大造成的。鑄片翹曲將影響薄膜的平整性，就PP來(lái)說(shuō)，由于鑄片冷卻不均勻，結(jié)晶不均勻，直接影響薄膜的成膜性。鑄片邊緣通常向溫度較低的一面翹曲，因此在生產(chǎn)過(guò)程中可根據(jù)鑄片的翹曲情況判斷急冷輥面與水槽中冷卻水溫度的高低，進(jìn)而考慮解決辦法。  

15、60;  3.1.4 出現(xiàn)氣泡    如果熔體中夾帶雜質(zhì)，原料含水率過(guò)高，擠出溫度過(guò)高，物料加熱時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者擠出機(jī)、過(guò)濾器中積存空氣或降解物等情況時(shí)，鑄片中就可能出現(xiàn)氣泡。在正常生產(chǎn)過(guò)程中如果出現(xiàn)氣泡，要仔細(xì)觀察氣泡形狀、顏色等，分析產(chǎn)生原因并加以解決。如果空螺桿開(kāi)機(jī)擠出或更換新的熔體過(guò)濾器再次開(kāi)機(jī)時(shí)，擠出機(jī)或過(guò)濾器中可能存有空氣或降解物，此時(shí)鑄片中一般會(huì)出現(xiàn)氣泡。這種問(wèn)題一般通過(guò)充分排料就可以解決。     3.1.5 邊緣不整齊    鑄片邊緣不整齊可能是由于模唇兩端密封件損壞造成

16、邊部漏料，也可能是壓邊系統(tǒng)不正常，或者是擠出熔體壓力不穩(wěn)。查明原因后要及時(shí)使用相應(yīng)的方法解決，否則容易造成橫拉脫夾。     3.1.6 其它缺陷    在鑄片過(guò)程中可能還會(huì)出現(xiàn)鑄片內(nèi)含有晶點(diǎn)、焦料、未熔料、結(jié)晶度不適宜、光澤度不良及出現(xiàn)鯊魚(yú)皮現(xiàn)象等缺陷。這些缺陷在工藝較成熟、技術(shù)水平較高的生產(chǎn)線上一般不會(huì)出現(xiàn)。     3. 2拉伸破膜的原因及解決辦法    在生產(chǎn)過(guò)程中，物料從鑄片到收卷，整個(gè)過(guò)程中都有可能破膜。通常，根據(jù)破膜位置把破膜分為橫拉前破膜、

17、橫拉破膜、橫拉后破膜。     3.2.1 橫拉前破膜    在鑄片或縱拉過(guò)程中生產(chǎn)條件發(fā)生了明顯變化、薄膜縱向厚度變化很大或鑄片出現(xiàn)很大缺陷時(shí)，使得鑄片在拉伸過(guò)程中局部拉伸應(yīng)力超過(guò)了材料的允許承受應(yīng)力，導(dǎo)致橫向破膜。不過(guò)橫拉前破膜在正常生產(chǎn)過(guò)程中很少見(jiàn)。     3.2.2 橫拉破膜    橫拉破膜在生產(chǎn)過(guò)程中最為常見(jiàn)。薄膜被高速橫向拉伸時(shí)最容易破裂。一般把橫拉破膜分為橫向破膜、縱向破膜和脫夾破膜3種類型。    （1）橫向

18、破膜    橫向破膜原因很多，具體可分為：    原料中含有性能差異較大的雜質(zhì)(低分子物、油污等)。    鑄片上有明顯的橫向條紋、氣泡。    各種不明顯的橫拉前破膜因素進(jìn)一步擴(kuò)大(縱向厚度波動(dòng)等)，使局部區(qū)域應(yīng)變過(guò)大。    鑄片的結(jié)晶、取向狀況偏差過(guò)大。    過(guò)濾器損壞，片鑄片雜質(zhì)含量高。    機(jī)頭漏料。    輥面壓傷。  &

19、#160; 廢料、設(shè)備劃傷薄膜。    擠出、縱向拉伸溫度設(shè)定不當(dāng)。    烘箱頂部及風(fēng)管上聚集的各種揮發(fā)物落到薄膜上。    另外，鏈夾損壞也是其中一個(gè)重要原因。2）縱向破膜    如果出現(xiàn)縱向破膜，可以從以下幾個(gè)方面分析：    薄膜橫向厚度偏差過(guò)大。    縱、橫向拉伸比過(guò)大。    縱向拉伸時(shí)邊緣溫度過(guò)高。    縱向拉伸定型溫度過(guò)高，鑄片結(jié)晶取向不

20、好。    鏈夾溫度過(guò)高。    橫拉烘箱內(nèi)有廢料劃傷薄膜。    （3）脫夾破膜    脫夾主要從膜片、夾具和工藝3方面分析:：    首先，如果鑄片邊緣不好或者厚度偏差大，就容易造成脫夾。此時(shí)要及時(shí)調(diào)整鑄片工藝，把鑄片的缺陷消除。    其次，如果在正常生產(chǎn)中出現(xiàn)脫夾，經(jīng)人工復(fù)位后仍然脫夾，此時(shí)就要考慮設(shè)備原因，可能是有鏈夾損壞無(wú)法閉合，也可能是有廢膜掛在鏈夾上，或者可能是入口導(dǎo)邊器失靈。出現(xiàn)此種情況，要立即停機(jī)，并認(rèn)真檢查。    另外，薄膜橫向拉伸時(shí)預(yù)熱、拉伸溫度過(guò)低，入口張力不適宜等也會(huì)造成脫夾。     3.2.3 橫拉后破膜(牽引、收卷破膜)