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通过纵向拉伸选择性改进薄膜性能
作者:Dr.-Ing. Dipl.-Wirt. Ing. Thorsten Leopold
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片材生产线, 单螺杆挤出机, 双螺杆挤出机, 板材生产线, 木塑挤出机, ...
商家对包装的期望值不断上升。包装在提供最佳效率和可持续性的同时还必须为产品提供更强大的保护、更多的便利并且能够吸引消费者的目光。为了应对这些挑战,制造商在生产软包装时必须开发出复杂的多层复合膜并使用特殊的原材料。当这种方法到达极限之时,纵向拉伸(MDO)为如何获得独特的薄膜性能提供了新的思路。

在MDO工艺过程中,吹塑或流延膜沿着机器方向不断地拉伸。管状或平膜覆盖在若干加热辊上并根据膜材料的种类不同加温至60-150℃的拉伸温度。受热的薄膜在一对或两对温控加热辊上,根据不同的转速沿着机器方向被拉伸。该拉伸工艺降低了薄膜的厚度并选择性地改变了膜材料的形态。拉伸比随着材料种类和应用类型的不同而有所区别,但通常位于1 : 3-1 : 10的范围内。为了调节收缩性能或确保尺寸稳定性,拉伸薄膜需要在下游退火辊上通过施加张力和热量进行放松。最后,放在冷却辊上冷却至环境温度。

MDO设备可与吹塑或流延膜设备联机使用或离线使用。离线系统包括开卷、拉伸和收卷,它为上游挤出工艺提供了最大程度的独立性。与此相反,在线解决方案具有降低资本要求和运营成本并提高效率的优势。

图1展示了搭载MDO联机单元的吹塑薄膜装置的示意图。平管通过一个可选的网络中心导轨导入MDO。多余的空气最好在平管进入MDO单元之前通过卷边一侧或两侧的切边排除在外,以防被吸入管内。随后,薄膜离开MDO,并在被送入卷绕单元之前进入修边工作台。

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薄膜性能的特定修改

高拉伸比显著改变了薄膜的形态,非晶结构和晶体结构都沿着机器方向被拉伸。此外,分子结构的排列进一步提高了其密度和半结晶聚合物的结晶性。这些形态的变化反过来对薄膜的宏观性能产生了显著的影响。随着拉伸程度的增加,机械性能(如刚度、拉伸强度、穿刺和撕裂强度等)也显著提升,尤其是在拉伸方向上。拉伸还有助于增强薄膜的光学性能和阻隔性能。

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通过对比按1:3.2的比例拉伸至端部厚度为40微米的高阻隔薄膜和相应的直接挤出40微米未拉伸薄膜,上述论点得到了证明。为了确保可比性,两种薄膜都具有相同的结构并且由相同的材料制成。两种薄膜在机器方向和横向位置(MD和TD)的刚度在图2做出了评价。拉伸薄膜在MD和TD位置表现出了更高的特性值。此外,光学性能也通过拉伸得到了改善(图3)。最后,MDO薄膜的隔氧性能也提升了30%(图4)。

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颈缩效应

在机器方向上拉伸薄膜不仅能够降低薄膜的厚度,其宽度也会受到颈缩效应的影响而减少。其厚度剖面显示,两侧的区域都非常厚。为了确保拉伸薄膜的下游加工不发生故障,两侧的颈缩区域必须在卷绕之前进行修整。这些修边使整条生产线的净输出每边减少了150毫米宽。

减少颈缩的措施

减少颈缩或对颈缩进行补偿的方法有多种,其中的关键参数是拉伸间隙。间隙越小,颈缩现象越少。问题在于最小间隙宽度随材料、结构和拉伸薄膜的应用不同而变化。因此,采用无级间隙调整设置将获得最佳结果。

另外一个重要的参数是延伸夹辊相对于一般温控辊的位置及其相对于特定拉伸间隙上的辊子的位置。这些夹辊不仅能够增强温控辊和薄膜之间的热传递,而且能够将薄膜固定在辊上,从而确保获得规定的拉伸程度,这反过来也对整个拉伸过程产生了积极的影响。

此外,现代工艺能够在联机MDO应用中选择性地控制薄膜厚度,从而节省更多的材料。这些工艺通过挤出生产线的剖面控制系统来改变主体薄膜的膜厚分布,经过拉伸之后获得理想的薄膜外形。这一措施可降低50%的修边范围并显著提高拉伸的经济性。

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选择性改性

由于MDO具有提高机械性能、增强阻隔效果的作用,它为各种薄膜应用提供了显著减少厚度的可能。此外,拉伸薄膜优良的光学特性还扩大了销售点包装差异化的范畴。但是,MDO的可能性远不止如此。例如,拉伸可用于选择性地改进薄膜的抗皱性或撕裂性以及透气性。为了说明这一点,下文精选了一些常见MDO的薄膜应用。

MDO最引人注目的一个应用是压缩商品的包装薄膜,如岩棉和卫生用品(如尿布)。这些产品都经过压缩并包裹在延伸性较低的拉伸薄膜里。MDO薄膜改进的拉伸强度和低弹性能够大幅度减少材料损耗和包装体积。

MDO还可用于制作标签薄膜。单轴拉伸薄膜能够调整收缩套标的收缩性能。对于它们来说,基于聚乙烯拉伸薄膜的自粘标签能够获得增强的光学性能和机械性能。更何况,高刚度和平整度还使下一步加工更为轻松。同时,薄膜厚度的优化还能够节省原材料。

透气薄膜常用于卫生用品和屋面垫层。透气性通过拉伸矿物填充薄膜实现。聚合物基体在拉伸过程中与填料颗粒分离并形成精细的微孔网络,因此气体能够穿透薄膜但液体却不能。

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结论

利用MDO进行单轴拉伸可用于选择性地改进各种聚合物薄膜的性能。设备和控制技术的发展更是显著提升了效率,尤其是联机MDO的效率(图5)。因此,不仅是MDO应用能够得到更有效的展示,该技术的全新应用领域也能够得到不断开发。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2015-1-29)
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