简述双向拉伸薄膜制造的知行合一（二）

杜永胜 张晓龙

（山东永健机械有限公司，潍坊 261303）

——上接本刊2023年第3 期

二、双拉膜制造的主要工艺和流程

双拉膜产品工艺的进步，反映在基础功能+进阶功能+管理功能的前后发展之路，促使行业人去充分认识不同的研发和生产，始于专业的顶层设计与日常管理。

1. 影响良品率的基础功效

双拉膜生产的成膜率是业界生产技术管理的重要课题。日本的“老字号”株式会社都非常重视产生破膜的原因，将每月“破膜率”控制在平均1 次以内/日，以确保每天薄膜品质和生产效率。造成连续破膜的主要原因，是双拉膜加工过程中降解、结晶、取向、温度、速度、机电故障和材质过滤问题。

双拉膜的制造工艺，涉及到配料、干燥、熔挤、铸片、拉伸、定型、收卷等工序的机电一体化，关联到预热拉伸、加热定型、冷却、张力等不同加工要求的缜密控制，还关联到生产管理、质量跟踪等运行数据的全程监控。

1）干燥融化与挤出

双拉膜的树脂性能直接影响到薄膜分子量的均匀排列。

存有亲水基因的树脂，在熔融状态下极易与水发生热水解，使得分子链断裂、分子量下降，影响拉伸膜内在质量并造成破膜等。制造时，必须提前保证树脂切片的含水量控制在30ppm 以内（双螺杆挤出系统除外）。干燥之时，要防止树脂切片剧烈沸腾时相互摩擦、撞击而产生一定的静电，影响热量的充分对流交换[7]。

挤出机以恒流源、控制温度和螺旋推动的形式将聚合物熔融夯实，使熔融流体在加热机筒中彻底匀称的旋转向前。双螺杆挤出机，具有摩擦的生热量较大、物料所受的剪切和混合比较均匀、螺杆的输送能力较大、挤出量比较稳定、均匀的特点。熔融状态的聚合物密实挤入过滤器，经过一定时间的滞留，在过滤器内形成完全的熔融流态。内置的过滤网可帮助提高熔体压力，又起到阻止杂质和未塑化的物料进入模头的作用[8]。其中熔融流体的过滤畅通相当重要。

2）模头与铸片

双拉膜的模头设计，考虑到剪切速度和表面粘度的关系，在模腔内采用几何形的曲面结构，以保证熔融流体产生压力促使材质致密。熔融流体沿着尺寸变化的模腔流道把螺旋运动转换为直线运动，并通过剪切流动使熔融流体进一步塑化均匀，平稳地挤出狭长的模唇，获得所需截面形状的连续片材[8]。

模头挤出的流延层必须经过一定的冷却处理才能形成铸片。铸片，是双拉膜成型中降解、结晶和取向的一个过程，其冷却温度的时间、速度直接影响双拉膜的结晶度及结晶质量，也是控制结晶的最佳环节[9]。

3）纵横向的逐步拉伸

已结晶的铸片经过拉伸，可使破碎的晶体形成细小的状态，并沿着拉伸方向形成串晶，从而改善薄膜的韧性，大幅度提高拉伸强度、光泽度、硬度、阻隔能力等性能。控制拉伸方法即可以改变塑料结晶质量，又可以提高其结晶度。

逐次拉伸，一般进行纵向再进行横向的前后两次拉伸。该方法操作较为方便，薄膜性能容易控制，拉伸后可在同台拉伸机上完成必要的加热、冷却处理。但是，热处理的横拉伸会损坏聚合物分子的纵向取向，难以完成纵向远大于横向力学性能的薄膜，难以成为纵向热收缩为零的薄膜[9]。

生产实践印证，纵、横向的拉伸取向达到平衡，这两个方向的力学性能也会相对均衡。两个方向的取向相等时，薄膜的性能是各向同性；一个方向的取向大于另一方向时，则薄膜的性能会呈现各向异性。同时，横向的拉伸比例决定了薄膜的使用价值，降低了用户生产成本。

4）收卷、分切与包装

收卷成型的宽幅大轴膜，对成膜交货质量具有十分密切的依赖关系，例如薄膜的厚薄公差和收卷状态等，对分切过程的表观质量大有影响。为此，收卷系统的稳定张力直接关系到薄膜后期的质量，其关键在加速、减速和匀速的张力分布。一方面，收卷膜有真空密合的特殊性，每层膜都会对前面各层产生放松作用，导致膜卷外张力与内张力的差别；另一方面，收卷辊和牵引辊的转换速度，造成膜卷的外层膜把内层膜压皱，达不到释放拉伸应力的陈化作用，并增加分切的复卷难度。

分切机组不是双拉膜生产线的连体装置，却是双拉膜成膜生产的最后一道工序，在生产流程中占有重要地位。分切工序的四大功效：①可以得到所需使用的成膜规格；②恰当的分切/复卷，可以使成膜获得良好的表观和收卷状态；③可以纠正成膜的错层或切除部分磨擦丝等表观缺陷，提高成膜的等级率；④通过分切，对整卷长度的成膜质量进行再次检验[10]。

目前，分切后的成膜包装基本靠人工操作。

2. 重视各流程的加工温度[1]

双拉膜的成型过程经历降解、结晶和取向的几个核心阶段，制造工艺包括配料→干燥→熔融→铸片→双向拉伸→热定型→牵引→收卷→分切等多道工序，具体涉及诸多机电系统的一体化调节，其中重要的加工温度，可以促成薄膜结晶与定向的均匀和性能稳定。为此，控制不同加工温度致成聚合物的玻璃态、高弹态和固体态的“三态”，在不同温度的范围（玻璃化温度、熔融温度、结晶温度、热变定型温度等）进行加温冷却、预热拉伸、加热定型等不同区域的缜密控制。

a、熔融温度：熔融温度越低越有利形成均相成核的晶核，增加晶体生长点，这既能提高结晶度，又可以减小晶体尺寸。所以，在保证塑化成型前提下的熔融温度稍低一点，反而对结晶有利。

b、分解温度：指处于粘流态的聚合物在升温过度时，使部分高聚物解聚成低分子量的聚合物或者解聚制成聚合物的单体。这是一个不可逆的化学过程，通常用Td 表示。

c、冷却温度：冷却温度直接影响结晶度及结晶质量，更是控制结晶的最佳方法。缓慢冷却，可使聚合物在结晶区之内延长停留时间从而使结晶度升高，有利薄膜刚性及硬度的形成，但是，容易产生粗大的球晶，对韧性不利。快速冷却，一方面使聚合物迅速经过结晶区域，从而降低结晶度；另一方面晶体生长时间短，晶粒尺寸小，有利改善透明性及韧性。

2.1 关注区域温度的瞬间变化

加工温度的升降通常采用定值控制，就是通过硬件电路或软件计算来判别当前温度值与设定目标温度值之间的关系，进而对系统加热源（或冷却装置）进行通断控制。简单的控制，就是系统温度上至设定值时关断电源，系统温度下至设定值时开通电源，这之间存在着变化过程滞后的问题。PID 线性温度控制法（即比例值、积分值、微分值），则考虑到加工温度的系统误差，误差变化及误差积累三个因素，对被控对象的各种复杂波动，进行现场的实时性调整，可以较好的控制成型，又有较大的灵活性，满足生产日益发展的实际需要。

实践应用认为，加工温度越高，高聚物分子的运动速度越快，且松懈的时间越短，产生的实际取向则越少；而拉伸后被冷却定型过的薄膜，更容易获得热稳定性。一般的加工温度，在低于材质熔点、高于玻璃化时，就对高弹态的铸片或厚膜进行纵向和横向拉伸，然后在绷紧状态下适当冷却或热定型处理或进行其它加工（如电晕、涂覆等）。

2.2 常用双拉膜的加工温度

BOPP——通常情况下，PP 熔点温度为164℃～172℃，热稳定性较好，分解温度可达300℃以上，而与氧接触的情况下260℃开始变色黄劣化。所以在熔融挤出温度240～270℃时，流延温度达到25～40℃的铸片只能采用沉浸水槽的冷却处理方式。生产厚度10～60μ m 薄膜的，先把纵向拉伸的预热温度上升125～145℃，拉伸比4.5～5.5 成厚片，再经拉伸温度150～170℃的横向箱，通过7.5～10.0 拉伸比和170～180℃加热定型温度。

BOPET——PET 加工范围相对较窄，熔点温度是245～260℃，分解温度300℃，结晶温度在100～130℃，结晶速度相对较慢，加工温度在270～290℃。冷却处理，由模头挤出温度285～295℃，直接流延到1750—2500 mm 直径的大冷鼓（冷鼓内有特殊设计的流道用作降温）。片材剥离冷鼓后温度达到40～60℃，再经纵向红外拉伸辊加温90～100℃、拉伸比3.3～4.0 成厚片，然后进入拉伸温度115～125℃的横向箱、通过拉伸比3.3～3.5 和温度230～250℃的热定型处理而成薄膜。

BOPA——PA6 对生产环境的潮湿度比较敏感。215℃～221℃的熔点温度虽低一些，分解温度却要310℃，干燥温度高达90℃～100℃，时间为5～6 小时。薄膜厚度12～15μ m，挤出温度265～270℃直接流延到比PET 2500 mm 直径更大的冷鼓。铸片的柔软温度在45～58℃，由于韧性强，纵向拉伸温度45～65℃不高，通过2.8～3.5 拉伸比，片材进入加热温度75～85℃横向箱拉伸，经过3.0～3.5 的拉伸比后，加热升温到195～225℃进行热定型。

BOPE——PE 上市较早，应用范围广泛，由于加工的温度区域比较窄，需要采用特殊的线性低密度聚乙烯（Linear low density polyethylene，LLDPE）原料和制定比较合理的生产工艺。BOPE双向拉伸加工工艺与BOPP 类似，熔融挤出与流延法相似，所选原料被熔融挤出，经冷却辊或水槽冷却控制其结晶速度和结晶度，冷却后形成厚片。厚片再加热经纵向拉伸后进入拉幅机预热，实施高倍率的横向拉伸和热定型[11]。

双向拉伸聚乙烯薄膜的物化性能，比较吹塑或流延方法生产的聚乙烯薄膜能有较大的改善，其透明度高，热封性、防潮性和纵、横向抗拉强度好，具有防湿和可折叠性等优点。在厚度减少50%的情况下，仍能达到其它聚乙烯薄膜的性能。

3. 重视加工成型的关键节点

双拉膜物理加工成型节点，在制造过程中温度、拉伸和热处理的时温、时速的等效控制上面。控制不同加工压力的范围（辊轴拉力、凝聚压力等）；不同的速度范围（单元辊轴的转速、循环风的对流速度和均匀性等参数）。

3.1 时间与温度和速度的等效控制[1]

热处理，一方面促进结晶而增大结晶度，完善结晶质量，让匆忙结晶的缺陷得到充分修补；另方面又使处于张紧状态的部分高分子取向得到松弛，消除掉内应力，通过加热处理还可使聚合物晶体的不同晶型发生相互转化。

按照时温等效原理，热塑性塑料分子运动的温度升高与时间延长是等效的。随着聚合物的“三态”变化（玻璃态、高弹态和固体态），其加热、冷却的时间无论跟随生产线的速度，还是定型辊数量的定型时间与温度都是对应等效的。我们从应用实践中获知，薄膜的不同性能需要缓冷或骤冷的不同工艺措施。如果产品要求透明度高，则需要快速冷却；如果产品要求刚性及硬度高，则需要缓慢冷却。成型的加工温度介于玻璃化温度和热分解温度之间，掌握加工温度需要根据门幅宽窄、厚薄程度、树脂和添加剂掺混比例、着色剂的稳定性以及挤出机的熔融情况而合适选定。

3.2 不同材质、厚度和宽度的不同线速度[12]

生产速度，一般指任意一个时间内生产标准薄膜的产量。实用的薄膜生产效率，则是生产者需要兼顾不同材质、厚度、宽度和制备状况，在适当时间内按技术操作要领，生产符合客户使用的薄膜产量。这里所言的生产速度，实指生产中的经济性和可及性。

铸片剥离至牵引机组的线速度呈现链接，才能保持实际拉伸力矩的准确性， 保证结晶和定向的均匀、材料温度与时间的稳定等效。冷却鼓（辊）至纵拉机的慢速辊与横拉箱进口端之间，以及纵拉机的快速辊与横拉箱出口端之间，需要采用张力传感器进行速度协调。使整个牵引和收卷过程务必保持薄膜的张力恒定，并随着卷径的增大，张力锥度按一定的规律递减。

生产线速度的精准控制，一般采用编码器反馈和采用模糊逻辑控制，并具有自我调节功能，使时间和温度的控制参数可以先期处置。张力传感器可以使各辊轴的转速反映灵活，而且不易损坏机械部件；横拉箱的循环热风采用蒸汽清洗或铂金触媒技术，可使低分子挥发物分解成二氧化碳和水，从而减少低聚物的污染。

3.3 不同片材的内外张力和不同牵引力

张力，是指厚片或薄膜受到拉力作用时的相互牵引力[1]。从铸片→纵拉→横拉→牵引→收卷的生产过程中，必须施加一定的拉伸和张紧的牵引力。薄膜牵引时，若张力过小，导致卷材松弛起皱，在横向上发生漂移；若张力过大，导致卷材拉伸过度，致使大轴膜表面隆起筋条，甚至拉断卷材造成分切时断头增多。

整个双拉膜生产线安装多个张力传感器的原因，是铸片拉伸时因温度变化而产生收缩，导致纵拉机入口速度与铸片速度的不一致，为此，要调整纵拉机与铸片冷鼓的联动速度；同样，纵拉机与进入横拉烘箱间也存在温差，需要调整横拉设备运行速度，又预防薄膜在横拉入口发生脱夹。厚片经过纵、横向的拉伸处理成为薄膜后，再通过牵引力进入收卷。大轴膜随着卷径的不断变化，致使收卷机线速度与牵引机线速度之间的差异越来越大。

此时牵引机末端的张力传感器，必须连接收卷机并感知收卷钢芯的薄膜直径，让卷材张力力矩的系统演算来确保平稳收卷，同时，把收卷辊表面压辊卷入薄膜的空气随时排除[13]。

实践证明，正常收卷的大轴膜，表面平整无褶皱，端面整齐、松紧度适当。大轴膜卷硬度的灵敏示值在87～95 之间为上品（硬度低至85 时，不再影响收卷松紧；硬度高至97 时，对膜卷对硬度影响力变小）。

——待续，请阅览本刊2023年第5 期